全差分高增益、宽带宽CMOS运算跨导放大器的设计.docx

引言 1
软件介绍 3
运算放大器设计基础 5
运放的主要性能指标 5
运算放大器的基本结构 6
全差分运放 6
套筒式结构 7
折叠式结构 8
系统总体设计 10
电路设计的整体结构 10
主放大电路设计 11
偏置电路的设计 13
输出级的设计 13
共模反馈的设计 14
总体布局 15
仿真与分析 17
运放直流与交流特性 17
噪声特性分析 19
电源抑制比 19
设计指标 20
放大器参数 21
版图设计与分析 22
L-Edit 介绍 22
版图设计规则 22
基本器件版图设计 23
NMOS 版图设计 23
电容电阻版图设计 24
版图的总体设计 26
主电路模块版图 26
偏置模块版图 27
输出模块版图 27
整体模块版图 28
29
LVS 版图比对
结论 31
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参考文献 32
附录 1 33
附录 2 35
2
1引言
集成运算放大器(Integrated Operational Amplifier)简称集成运放，是由多个 CMOS管与电容电阻通过耦合方式实现提高增益的模拟集成电路 ［1］。集成运放具有
增益高、输入阻抗大、输出阻抗低、共模抑制比高和失调与漂移性小等优点，而且 当输入电压值为零时，输出值也为零。集成运放是构成常用集成电路系统的通用模 块⑵［3］ 0
自从1964年美国仙童公司研制出第一个单片集成运算放大器 pA702以来，集
成运算放大器得到了广泛的应用。目前集成运放已成为集成电路中品种和数量最多 的一类［4］。其发展速度相当之快。其发展先后经历了小规模 ©(Integrated Circuit),
中规模IC,大规模IC,超大规模IC和特大规模IC五个不同的阶段。随着运放种 类的增多，集成电路的制造工艺也发展到了一个全新的阶段。基本的制造工艺有以 下几种：单晶硅和多晶硅、氧化工艺、掺杂工艺、掩膜的制版工艺、光刻工艺和金 属化工艺等［5］。目前的半导体集成电路产品种类日益丰富，电子科学技术的应用已 经渗入到社会生活的各个领域，很大程度上影响和改善着人们的生活 ［6］。人们对性
能的要求也越来越高，譬如 A/D及D/A转换器、有源滤波器、锁相环电路、模拟 乘法器和精密比较器等电路中均需要采用高增益宽宽带的集成运算放大器。同时随 着多媒体和通讯技术的迅猛发展，高增益宽带运算放大器在蓝牙技术、高精密测量 仪器、图像放大器、信号处理系统和音频功放系统等方面的应用越来越广泛。由于 运放的性能直接影响着整个电路的动态范围和高频领域的应用，因此研制具有良好 性能的高增益宽带集成运放对满足低功耗、宽频带等通信技术及其它高速模拟信号 处理应用有重要的实用价值［7］。这些都对设计和生产带来了很大的压力和动力，也 是一个很迫切需要解决的问题。
随着集成运放种类和数量的日益增多，集成电路的制造工艺也得到了较快地发 展。制造集成电路的主要工艺分为两种： 双极型集成运放和CMOS集成运放。双极 型集成运放技术发展的时间较长，到目前为止技术相对较为成熟，应用也比较广泛， 具有较快的速度和较高的增益，但是这种电路结构在功耗和带宽方面的性能就不尽 如人意［8］。随着CMOS集成电路技术的不断发展与进步，设计者开始尝试利用CMOS 技术来设计高性能的集成运放，尤其是一些高精尖的精密仪器设备。 CMOS运放电
路在开环增益、失调电压、速度等方面得性能与双极性晶体管相比稍微差一点，但 是CMOS运放电路具有十分大的输入电压范围和输出摆幅，并且在输入阻抗和静态 功耗等方面有着巨大的优越性。不仅如此，CMOS集成运放所占用的芯片面积连普 通双极性集成运放电路的一半都不到。因此， CMOS集成运放在现代集成电路设计
中占有的比重越来越大［9］ ［10］。
目前常见的集成运放有三种结构：简单的全差分结构、套筒式共源共栅结构和 折叠共源共栅结构等。第一种简单的全差分结构优点是输出范围较大，缺点是幅频 特性较差，直流增益较小，精度不高，功耗较大，电源抑制比和共模抑制比差，因 此设计者一般不采用这种方法来设计精度较高的电路。第二种套筒式共源共栅结构 优点是具有很宽的带宽，运算速度很快，增益也很高，电路噪声和功耗都很低，缺 点是电路的输出信号范围很小，并且共模输入范围也较窄，因此这种方法目前部分 设计者采用。第三种折叠共源共栅结构优点是电路输出信号范围较大，由于输入信 号和输出信号可以短接因而共模电平很容易确定，缺点是牺牲了电路的功耗和噪声 等特性，因此这种电路目前也有很多设计者采用
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[11] 0综合以上三种集