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1、重庆大学本科学生专业综合课程设计论文CMOS 多用途多级运算跨导放大器的设计学 生： 杨丽君 指导教师： 潘银松 余华 院 系： 光电工程学院 专业班级： 电子 2 班 重 庆 大 学2011 年 9 月 I摘要本次课程设计要求设计一个CMOS三级运算跨导放大器，所谓运算跨导放大器就是将电压转换成电流的放大器。三级设计可以根据不同的使用要求，通过开关的开和闭，选择单级、两级和三级组成放大器，已获得不同的增益和带宽。为保证放大器的稳定性，选做单击放大时，需要进行米勒补偿，做两级放大时，要进行级间补偿。根据已知参数和电路图，通过ORCAD仿真求出电路中各MOS管的宽长比，再根据得到的宽长比使用Ta
2、nner画出版图，最后用T-Spice软件仿真。关键词：运算跨导放大器 NMOS/PMOS ORCAD 宽长比 Tanner L-Edit 版图绘制 T-Spice 软件仿真 功耗杨丽君: CMOS 多用途多级运算跨导放大器的设计目录摘要 .I一 引言 .1二 运算放大器介绍 .22.1 运 算 放 大 器 的 工 作 原 理 .22.2 运算放大器的主要参数 .32.3 运算放大器的类型 .5三 CMOS 三级运算跨导放大器的设计 .63.1 电子电路 CAD 介绍 .73.2 第一级电路的设计 .73.3 中间级电路的设计 .83.4 第三级电路的设计 .9四 元器件的绘制和版图设计 .1
3、04.1 工艺设置 .104.2 晶体管的设计与绘制 .114.2.1 PMOS 晶体管的设计 .114.2.2 NMOS 晶体管的设计 .114.2.3 晶体管的合并画法 .124.2.4 特殊晶体管的优化处理 .124.3 电容的绘制 .134.4 压焊点的绘制 .144.5 保护环的绘制 .154.6 匹配规则 .15五 版图布局与布线 .155.1 版图布局 .155.2 布局微调 .155.3 布线 .165.4 生成版图雏形 .165.5 检查及 T-Spice 文件提取 .165.6 本次设计版图 .16六 T-Spice 仿真及结论 .176.1 T-Spice 文件的检查与修
4、正 .176.2 T-Spice 仿真的参数设置 .176.3 本次设计仿真波形 .176.3.1 开环增益和单位增益带宽 .176.3.2 相位裕度 .186.3.3 功耗 .18七 结论 .19参考文献 .20附录 .21杨丽君: CMOS 多用途多级运算跨导放大器的设计1一 引言随着微电子技术的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用。集成电路已发展到系统级芯片(SOC)阶段。特别是随着 CMOS 工艺的进步，CMOS 电路所具有的低成本、低功耗以及高速度等特点，使集成电路的应用、理论和技术发生了深刻的变化。另外随着 CMOS 模拟电路设计的不断进步，CMOS 技术不仅是实现 SOC 的最好
5、选择，而且是实现模拟集成电路的有效方法。近年来，基于 CMOS 技术的低压、低功耗便携式产品在人们日常生活中的应用越来越广泛。在低电源电压条件下，需要增大运放输入输出信号的动态范围，实现轨对轨输出，即供电电源电压和地(或另一电源电压)之间的输入共模范围和输出摆幅。对于轨对轨运放，输入级中跨导会发生变化，这将会引起信号的失真、环路增益的变化等。所以，必须使输入级跨导在整个共模输入范围内保持恒定。运 算 放 大 器 可 以 置 于 传 感 器 、 信 号 源 与 模 数 转 换 器 之 间 ， 将 两 者 连 接 在 一 起 ，负 责 处 理 来 自 接 收 器 信 号 路 径 的 信 号 ； 也
6、 可 置 于 数 模 转 换 器 与 模 拟 输 出 之 间 ， 将两 者 连 接 在 一 起 ， 负 责 驱 动 发 送 器 信 号 路 径 的 信 号 无 论 是 接 收 还 是 发 送 信 号 ， 运算 放 大 器 主 要 负 责 处 理 模 拟 信 号 ， 以 便 将 模 拟 信 号 的 重 要 信 息 传 送 至 下 一 环 节 作进 一 步 处 理 。 换 言 之 ， 置 于 输 入 路 径 的 运 算 放 大 器 负 责 为 模 数 转 换 器 提 供 经 过 处理 的 输 入 信 号 ， 而 置 于 输 出 路 径 的 运 算 放 大 器 则 负 责 为 发 送 器 提 供 经
7、 过 数 模 转 换器 处 理 的 输 出 信 号 。 这 个 处 理 过 程 并 不 简 单 ， 因 为 系 统 采 用 的 传 感 器 、 模 数 转 换器 、 数 模 转 换 器 及 发 送 器 都 各 不 相 同 ， 为 它 们 提 供 信 号 的 信 号 源 必 须 在 电 子 特 性方 面 能 够 满 足 它 们 的 特 殊 要 求 ， 才 可 以 充 分 发 挥 其 性 能 。杨丽君: CMOS 多用途多级运算跨导放大器的设计2二 运算放大器介绍运算放大器（简称“运放” ）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中
8、，用以实现数学运算，故得名“运算放大器” 。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。图 2.1为最常见的运放。2.1 运 算 放 大 器 的 工 作 原 理运 放 如 图 2.1 有 两 个 输 入 端 a（ 反 相 输 入 端 ） ， b(同 相 输 入 端 )和 一 个 输 出 端o。 也 分 别 被 称 为 倒 向 输 入 端 非 倒 向 输 入 端 和 输 出 端 。 当 电 压 U-加 在 a 端 和 公 共端 (公 共 端 是 电 压 为
9、零 的 点 ， 它 相 当 于 电 路 中 的 参 考 结 点 。 )之 间 ， 且 其 实 际 方 向从 a 端图 2.1高 于 公 共 端 时 ， 输 出 电 压 U 实 际 方 向 则 自 公 共 端 指 向 o 端 ， 即 两 者 的 方 向 正 好相 反 。 当 输 入 电 压 U+加 在 b 端 和 公 共 端 之 间 ， U 与 U+两 者 的 实 际 方 向 相 对 公 共端 恰 好 相 同 。 为 了 区 别 起 见 ， a 端 和 b 端 分 别 用 -和 +号 标 出 ， 但 不 要 将 它 们误 认 为 电 压 参 考 方 向 的 正 负 极 性 。 电 压 的 正 负
10、 极 性 应 另 外 标 出 或 用 箭 头 表 示 。 反转 放 大 器 和 非 反 转 放 大 器 如 下 图 ：杨丽君: CMOS 多用途多级运算跨导放大器的设计3图 2.2 反 转 放 大 器图 2.3 非 反 转 放 大 器一 般 可 将 运 放 简 单 地 视 为 ： 具 有 一 个 信 号 输 出 端 口 （ Out） 和 同 相 、 反 相 两个 高 阻 抗 输 入 端 的 高 增 益 直 接 耦 合 电 压 放 大 单 元 ， 因 此 可 采 用 运 放 制 作 同 相 、 反相 及 差 分 放 大 器 。 运 放 的 供 电 方 式 分 双 电 源 供 电 与 单 电 源 供 电 两 种 。 对 于 双 电 源 供 电 运 放 ， 其输 出 可 在 零 电 压 两 侧 变 化 ， 在 差 动 输 入 电 压 为 零 时 输 出 也 可 置 零 。 采 用 单 电 源 供电 的 运 放 ， 输 出 在 电 源 与 地 之 间 的 某 一 范 围 变 化 。 运 放 的 输 入 电 位 通 常 要 求 高 于 负 电 源 某 一 数 值 ， 而 低 于 正 电 源 某 一 数 值 。
