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1、兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要随着集成电路工艺的发展，CMOS电路由于其低成本、低功耗以及速度的不断提高，在集成电路中获得越来越广泛的应用。CMOS运算放大器也因其独特的性能优势常被用于模拟集成系统或子系统中，它的性能的好坏直接决定了整个模拟集成系统性能的好坏。因此，有必要对用CMOS运算放大器进行深入的学习和研究。 CMOS运算放大器作为模拟集成电路最重要的功能模块，其设计一般包括以下几个步骤：确定设计要求；设计或综合；仿真；几何版图设计；版图后仿真；流片；测试。本论文主要对两级CMOS运算放大器进行了前端设计及仿真。论文在确定了两级CMOS运放设计规范要求的基础上，设计了两级CMOS运
2、算放大器的基本电路结构，分析了各组成模块的电路功能，通过分析性能参数与MOS管几何参数的关系，得到了电路中各MOS管的宽长比。论文在介绍仿真环境OrCAD的结构特点及其工作性能的基础上，对所设计的电路进行了PSpice软件仿真，得到了设计电路的直流工作点、瞬态以及频率特性的仿真结果。仿真结果分析表明所设计的电路符合预期的设计要求和设计指标，也验证了设计的两级CMOS运算放大器的可靠性和可行性。关键词：CMOS；运算放大器；PSpice仿真；小信号放大；频率响应AbstractWith the development of CMOS technique, CMOS integrated circ
3、uits have become the mainstream of integrated circuits techniques, due to its low cost, low power consumption and continuously improved speed. As the CMOS process has good performance merits, therefore the operational amplifier combined with CMOS technique has been widely used because of its unique
4、performance.As the most important functional module in analog integrated circuits, the design of CMOS operational amplifier includes several steps as follows: determination design requirements, design or synthesis, simulation, design geometric layout, post-layout simulation, tape-out and test. The f
5、ormal steps of the design of the two-stage CMOS operational amplifiers was provided in this paper, and the basic circuit structures of the two-stage CMOS operational amplifier was introduced. Based on determining the op-amp design specifications, the relationship between performance parameters and t
6、ransistor geometry parameters was analyzed and the ratio of the transistors width to length was calculated. As a kind of simulation tool, the structural characteristics and work performance of OrCAD was described in detail. The feasibility of the design was determined by using PSpice simulation. Ana
7、lysis of bias point, transient and the frequency characteristics of the circuit have been completed in this paper, and the simulation results showed that the designed circuit meets the design requirements and targets, also design the reliability and feasibility of the two-stage CMOS operational ampl
8、ifier has been comfired.Key words: CMOS；Operational amplifier；Pspice simulation；Small signal amplification；Frequency responseI目录摘 要IAbstractII1.绪论11.1运算放大器11.1.1运算放大器概述11.1.2运算放大器发展历史11.1.3运算放大器原理与类型21.2 CMOS集成工艺41.3论文选题的意义42.两级CMOS运算放大器的设计62.1 两级CMOS运算放大器的组成模块选择原则62.1.1 第一级放大模块72.1.2 第二级放大模块级输出模块82
9、.1.3 偏置及补偿模块102.2 两级CMOS运放电路102.2.1两级CMOS运放的电路结构112.2.2两级CMOS运放的工作原理122.3 两级CMOS运放的参数计算122.3.1设计标准及参数132.3.2工艺参数的计算132.4小结193.两级CMOS运算放大器的电路仿真203.1 仿真环境OrCAD203.2 直流工作点分析233.3 瞬态特性分析283.4 频率特性分析323.5 小结344 电路的优化设计354.1频带宽度优化354.2输出端最大值优化38结论及展望41致谢42参考文献4338 1. 绪论1.1 运算放大器1.1.1运算放大器概述运算放大器1（常简称为运放）是
10、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，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延用至今。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，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。集成电路一般分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，两类电路的设计方法不尽相同。近年来，随着SOC的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用，并且其相关技术飞速发展。1.1.2运算放大器发展历史第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前
11、后完成，运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器
12、。1960年代晚期，仙童半导体推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为A709。但是709很快地被随后而来的新产品A741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。运算放大器（常简称为“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，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。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，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。1.1.3运算放大
13、器原理与类型（一）原理运放如图1-1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2。当电压加U-加在a端和公共端之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，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。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。图1.1 运算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
14、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。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。（二）类型按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。1、通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标
15、能适合于一般性使用。例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2、高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid1G1T。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3、低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4、高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用
