CMOS运算放大器设计毕业设计.doc

目 录摘要3Abstract40 文献综述50.1 集成电路概述50.2 集成电路的发展50.3   集成电路应用领域60.4 CMOS集成电路90.5 运算放大器90.6 CMOS运算放大器101 引言111.1 运算放大器简介111.2 本文研究内容122 CMOS运算放大器122.1 CMOS运算放大器简介122.2 CMOS运算放大器的设计流程133 CMOS运算放大器电路设计143.1 电路的PSpice模拟及理论计算143.2 电路结构分析及参数调试153.3 电路仿真154 CMOS 运算放大器版图设计254.1 版图设计流程254.2 工艺设计规则264.3 单元器件的绘制图元274.4 CMOS放大器的版图设计314.5 T-Spice仿真345 总结38参考文献39致谢41毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日CMOS运算放大器摘要：CMOS全称Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。CMOS加工工艺使得电路拥有低功耗的特点，由于CMOS中一堆MOS组成的门电路在电路工作的瞬间要么是NMOS导通、要么是PMOS导通、要么都截止，因此效率很高，功耗很低。CMOS运算放大器由于具有可靠性高、成本低廉、调试方便，在电子电路的各个领域中应用都相当广泛，当今99%的数字系统采用CMOS工艺实现。因此CMOS运放成为了研究热点。本文着重论述CMOS运算放大器的设计与仿真，论文中主要研究了以下几方面的关键问题：一、CMOS运算放大器的电路结构；二、CMOS运算放大器的电路参数；三、CMOS运算放大器的L-Edit仿真。本人对CMOS运放电路采用了pspice软件设计电路结构，计算并调试参数、最后采用了L-Edit软件绘制了版图。关键词：CMOS、运算放大器、电路模拟、版图设计。The CMOS operational amplifierHuang HaibinCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, ChinaAbstract: The full name of CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor, which is complementary metal oxide semiconductor, is a large-scale integrated circuit chip manufacturing raw materials. The characteristics of CMOS technology makes the circuit has low power consumption, because the gate circuit composed of a CMOS MOS in the circuit moments or NMOS conduction, or is the PMOS conduction, or stop, so the efficiency is very high, the power consumption is very low.The CMOS operational amplifier with high reliability, low cost, convenient debugging, in various fields of the electronic circuits are widely used, digital system in 99% with CMOS technology. So the CMOS operational amplifier has become the hot spot of research.This paper focuses on the design and Simulation of CMOS operational amplifier, this paper mainly studies the key problems in the following aspects: the circuit structure, CMOS operational amplifier circuit parameters; two, CMOS operational amplifier; simulation of L-Edit three, CMOS operational amplifier.I use the PSPICE software to design the circuit structure of CMOS operational amplifier circuit, debug the parameters, calculation and finally use the L-Edit software to draw the layout.Keywords: CMOS, operational amplifier, design, simulation.0文献综述0.1 集成电路概述所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。10.2 集成电路的发展集成电路的发展经历了一个漫长的过程，以下以时间顺序，简述一下它的发展过程。1906年，第一个电子管诞生；1912年前后，电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展；1918年前后，逐步发现了半导体材料；1920年，发现半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后，运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象；1956年，硅台面晶体管问世；1960年12月，世界上第一块硅集成电路制造成功；1966年，美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路。 1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段。1997年：300MHz奔腾问世,采用0.25工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。2集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争，使集成电路发挥了它更大的功能，更好的服务于社会。由此集成电路从产生到成熟大致经历了如下过程：电子管晶体管集成电路超大规模集成电路1) 集成电路的前奏电子管、晶体管电子管，是一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，很快就不适合发展的需求，就没躲过被淘汰的命运。晶体管，是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管很快就成为计算机“理想的神经细胞”，从而得到广泛的使用。3虽然晶体管的功能比电子管大了很多，但由于电子信息技术的发展，晶体管也越来越不适合科技的发展，随之出现的就是能力更强的集成电路了。0.3  集成电路应用领域1) 在计算机的应用随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。第四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。计算机主要部分几乎都和集成电路有关，CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等，无不与集成电路有关。并且专家通过最新技术把越来越多的元件集成到一块集成电路板上，并使计算机拥有了更多功能，在此基础上产生许多新型计算机，如掌上电脑、指纹识别电脑、声控计算机等等。随着高新技术的发展必将会有越来越多的高新计算机出现在我们面前。2) 在通信上的应用集成电路在通信中应用广泛，诸如通信卫星，手机，雷达等，我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典型一例。“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统，与美国G P S、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球4 大卫星导航系统。它的研究成功，打破了卫星定位导航应用市场由国外GPS 垄断的局面。前不久，我国已成功发射了第二代北斗导航试验卫星，未来将形成由5颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成的网络，我国自主卫星定位导航正在由试验向应用快速发展。将替代“北斗”导航系统内国外芯片的“领航一号”，还可广泛应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源调查、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密测量、目标监控等领域。近年来,随着高新技术的迅猛发展,雷达技术有了较大的发展空间,雷达与反雷达的相对平衡状态不断被打破。有源相控阵是近年来正在迅速发展的雷达新技术,它将成为提高雷达在恶劣电磁环境下对付快速、机动及隐身目标的一项关键技术。有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电子技术为一体的高新技术产物。相比之下毫米波雷达具有导引精度高、抗干扰能力强、多普勒分辨率高、等离子体穿透能力强等特点；因此其广泛的用于末制导、引信、工业、医疗等方面。无论是军用还是民用，都对毫米波雷达技术有广泛的需求，远程毫米波雷达在发展航天事业上有广泛的应用前景，是解决对远距离、多批、高速飞行的空间目标的精细观测和精确制导的关键手段。可以预料各种战术、战略应用的毫米波雷达将逐渐增多。3) 在医学上的应用随着社会的发展和科学技术的不断进步，人们对医疗健康、生活质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求。同时，依托于高新领域电子技术的各种治疗和监护手段越来越先进，也使得医疗产品突破了以往观念的约束和限制，在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足发展。诸多专家从医疗健康领域的需求分析入手，从集成电路技术的角度对医疗健康领域的应用的关键技术（现状和前景）做了大致的分析探讨。随着集成电路越来越多的渗入现代医学，现代医学有了长足进步。在医学管理方面IC卡医疗仪器管理系统就是典型代表。IC卡医疗仪器管理系统集I C 卡、监控、计算机网络管理于一体，凭卡检查，电子自动计时计次，可实现充值、打印，报表功能。系统性能稳定，运行可靠；控制医疗外部关键部位，不与医疗仪器内部线路连接，不影响医疗仪器性能，不产生任何干扰；管理机与智能床有机结合，分析计次；影像系统自动识别，有效解决病人复查问题；轻松实现网络化管理，可随时查阅档案记录，统计任意时间内的就医人数。在健康应用方面，临时心脏起搏器作为治疗各种病因导致的一过性缓慢型心律失常及植入永久心脏起搏器前的过渡性治疗，已广泛应用于临床工作，技术成熟。在非心脏的外科手术患者中合并有心动过缓及传导阻滞者，在围手术期可因为麻醉、药物及手术的影响，加重心动过缓及传导阻滞，增加了手术风险，限制了外科手术的开展，而植入临时心脏起搏器可有效解决上述问题，增加此类患者围手术期的安全性。磁振造影仪是一种新型医疗设备，对于治疗许多疾病有它独特的功效。磁振造影仪（MRI）是利用磁振造影的原理，将人体置于强大均匀的静磁场中，透过特定的无线电波脉冲来改变区域磁场，藉此激发人体组织内的氢原子核产生共振现象，而发生磁矩变化讯号。因为身体中有不同的组织及成份，性质也各异，所以会产生大小不同的讯号，再经由计算机运算及变换为影像，将人体的剖面组织构造及病灶呈现为各种切面的断层影像。身体几乎任何部位皆可执行MRI检查，影像非常清晰与细腻，尤其是对软组织的显影，不是任何其它医学影像系统所能比拟的。目前常用的MRI影像乃是依据各组织内核磁共振讯号所建立的，氢是人体组织中最多的成份，因此MRI影像可诊断各种疾病，包括脑部癌病、水肿、血梗，神经的脱鞘与脂肪不正常分布，铁成份的沉积性疾病、出血，以及心肌不正常收缩等。4MRI的优点除了不须要侵入人体，即可得人体各种结构组织之任意截面剖面图，且可获取其它众多的物理参数信息，MRI检查在国内外十几年来至今尚未发现对人体有任何副作用。4) 在生活中的应用提到集成电路我们就不得不提到我们的日常生活，在我们生活中与集成电路有关的产品随处可见。手机、电视、数码相机、摄像机等都与我们的生活关系越来越近。随着技术的进步和社会的发展，手机以其独特的传播功能，日益成为人们获取信息、学习知识、交流思想的重要工具，成为文化传播的重要平台。目前，我国已有手机用户5亿多，形成以手机为载体的网站、报纸、出版物等新的文化。手机功能和手机款式也在不断更新，以适应现代人们生活的要求。各种各样的手机接连问世，从小灵通到具有摄像功能的高新手机，手机行业正在以惊人冲击人们的思维和眼界。在科学技术与信息同步变革的社会发展过程中，电视传播对整个社会的支配影响作用十分明显。由于电视是一种变化多端的实践、技巧和技术，于是家庭本身也变成了一种家庭技术的复杂网络。正如电通过电视、电脑、电信技术与外部重新建立新的联系一样，电视重组了家庭的时间、空间、家庭闲暇和家庭角色。正因此，电视传播逐步地融入了大众生活，使人们生活方式和价值观均发生了深刻的变化。伴随着现代社会节奏的加快，外界娱乐费用的增涨，电视传播的普及，已经为人们呆在家中提供了充足的理由和条件，足不出户却可以感受社会交谈带来的人际交际感觉。此外，电视传播对于农村家庭的经济发展、社会的信息流通和大众家庭的教育都有很大的作用，电视传播也影响了家庭的装修风格与布局，由于电视装置在家庭中占据空间的原因，出现了电视装修墙以求美观。0.4 CMOS集成电路自1958年美国德克萨斯仪器公司发明集成电路后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃。MOS是：金属-氧化物-半导体结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-集成电路（IC）。51) 电路原理CMOS是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应管集成在一块硅片上。CMOS的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截止，比线性的三极管效率要高得多，因此功耗很低。0.5 运算放大器运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际的电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，由于早起应用于模拟计算机中用以实现数学运算，故而得名“运算放大器”。1) 运算放大器的发展历史运算放大器的发展已有40余年的历史，最早的是采用硅NPN工艺，后来改进为NPN-PNP工艺(标准硅工艺)。在结型场效应管技术成熟后，模拟运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了功耗的问题，另一方面通过混合模拟与数字电路技术，解决了直流小信号直接处理的难题。运算放大器基本上是电子电路中最常见的电路之一，在电路中主要起着将输入端的两个电压之间的差放大一定的倍数已达到设计者的目的。运算放大器的应用非常广泛，在不同的场合有不同的放大要求，它可以用来做数学计算、求解微积分方程等，所以我们研究CMOS运算放大器的设计与优化是非常有意义的。运算放大器最早设计出来是用来进行加、减、乘、除的运算，同时也是模拟计算机的基本构建模块。在电路系统的设计上，理想运算放大器的用途远不止这些计算。如今的运算放大器不论是使用真空管或晶体管、分立式或集成电路原件，它的效能都逐渐接近理想放大器的要求了。早期的运算放大器是使用真空管设计的，而现在则多半是集成电路式的原件。但是如果集成电路放大器不能满足电路系统对于放大器的需求时，就会利用分立原件来实现这些特殊规格的放大器。60.6 CMOS运算放大器运算放大器（运放）实质上是一种高增益的直流放大器。运算放大器主要由差分输入级、中间增益级、推挽输出级以及各级的偏置电路组成。运算放大器是许多模拟电路及混合信号系统中的主要部分，具有不同复杂水平的运放备用来实现从直流偏置的产生到滤波器的高速放大等功能，运放的设计还提出了一个挑战，作为电源电压与CMOS工艺的每一个时期的三极管沟道长度按比例缩小之间的矛盾。CMOS运算放大器具有可靠性高，成本低、调试方便，在各个领域的电子电路中的应用都非常广泛。本文是对CMOS运算放大器进行设计与仿真，重点是对CMOS运放的分析方法与设计方法进行详细的研究。1 引言运算放大器的发展已有40余年的历史，最早的是采用硅NPN工艺，后来改进为NPN-PNP工艺(标准硅工艺)。在结型场效应管技术成熟后，模拟运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了功耗的问题，另一方面通过混合模拟与数字电路技术，解决了直流小信号直接处理的难题。运算放大器基本上是电子电路中最常见的电路之一，在电路中主要起着将输入端的两个电压之间的差放大一定的倍数已达到设计者的目的。运算放大器的应用非常广泛，在不同的场合有不同的放大要求，它可以用来做数学计算、求解微积分方程等，所以我们研究CMOS运算放大器的设计与优化是非常有意义的。71.1 运算放大器简介1) 运算放大器的分类在标准硅工艺中加入了MOS场效应管工艺的运算放大器分为三类。一类是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改为MOS场效应管，比结型场效应管大大提高运放的开环输入阻抗，顺带提高了通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。典型开环输入阻抗在10 12欧姆数量级。典型代表是CA3140。第二类是采用全MOS场效应管工艺的模拟运算放大器，它大大降低了功耗，但是电源电压降低。它的典型开环输入阻抗在10 12欧姆数量级。第三类是采用全MOS场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器采用所谓斩波稳零技术主要用于改善直流信号的处理精度输入失调电压可以达到 0.01uV温度漂移指标目前可以达到0.02ppm。在处理直流信号方面接近理想运放特性。它的典型开环输入阻抗在10 12欧姆数量级。2) 运算放大器的主要参数集成运放的参数较多与本CMOS运算放大器有关主要参数有输入偏置电流、输入电流、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。单位增益带宽、全功率带宽、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。3) 运算放大器的研究现状与发展趋势现代社会是一个信息化社会在通信领域里，运放的使用是非常广泛的。在家庭领域电视机、固话、移动电话、计算机等等一系列电子产品99%都要用到运放，所以运放的地位非常重要，业界对运放的研究也下了大功夫。运放经过了数十年的发展，通过不断的演变，性能变得越来越好、功耗变得越来越低、通用性越来越强、集成度越来越高、精度越来越大。目前的运放主要采用了CMOS、双极、BICMOS等工艺制造。许多运算放大器系列都提供单通道、双通道和四通道三种封装形式,从而为设计提供了最大的灵活性。各种新型封装的电路板占位面积正在日益缩小。同时随着科学技术的不断发展，对运放的要求也更高，这就对运算放大技术提出了更高的指标、要求放大器在制作工艺上有所突破，使用新的工艺制造出可靠性更强成本更低的产品是运放的发展趋势。81.2 本文研究内容单5V电源供电，共模输入范围1.6V3.4V；功耗小于100uW；开环增益大于80dB；单位增益带宽大于2MHz；相位裕度大于45þ。利用电路仿真软件、设计各MOS管的宽长比（W/L）。利用L-Edit软件进行版图设计。2 CMOS运算放大器2.1 CMOS运算放大器简介运算放大器（运放）实质上是一种高增益的直流放大器。运算放大器主要由差分输入级、中间增益级、推挽输出级以及各级的偏置电路组成。运算放大器是许多模拟电路及混合信号系统中的主要部分，具有不同复杂水平的运放备用来实现从直流偏置的产生到滤波器的高速放大等功能，运放的设计还提出了一个挑战，作为电源电压与CMOS工艺的每一个时期的三极管沟道长度按比例缩小之间的矛盾。本章主要是对CMOS运放进行分析，重点是对CMOS运放的分析方法与设计方法进行详细的研究。92.2 CMOS运算放大器的设计流程CMOS运算放大器的设计给予参数间权衡的方法最终在总的实现中需要多方面的折中，所得每一个参数必须是适当的值。CMOS运算放大器的设计流程一般包括：根据电路特性要求选定电路结构、电路模拟、版图设计、版图验证等电路模拟：根据设计要求的性能指标及电路结构，用OrCAD软件对电路进行直流、交流、瞬态分析，并进行性能分析，初步确定各间的宽长比（W/L），再对电路中各级间的W/L进行优化设计，确定满足性能的W/L。根据电路中各器件的W/L，利用L-Edit软件进行版图设计，同时进行设计规则检查（DRC）。版图设计完成后，再从版图中提取网表文件（.spc）。根据从版图提取的网表文件，用T-Spice软件进行仿真，仿真结果与OrCAD仿真结果进行比较，如不满足设计指标，则修改电路或版图，再进行（1）或（2），再做仿真比较，直到满足需要为止。图2.2 设计流程Fig. 2.2 the design process3 CMOS运算放大器电路设计3.1 电路的PSpice模拟及理论计算图3.1 Pspice模拟的CMOS运算放大器电路Figure 3.1 The CMOS operational amplifier circuit, Pspice simulation1) 理论计算 根据近似公式手工计算：首先确定设计的最小沟道长度。由于采用的是1.25um工艺，最小沟道需为2um。器件尺寸的选择可以从多个地方入手，但由于指标之间通常相互制约，需要反复设计过程才能折中选择最后的尺寸。该CMOS放大器的开环增益为：A=增益带宽乘积GB=输出极点p2=- （输出极点p2决定了相位裕度，按CMOS放大器设计指标要求，相位裕度大于45°，则p2至少要大于1.22GB）最大共模电压V=VDD|VTO3|Vmax+VT|Vmin最大共模电压V=VDD+V T|max+ 一般增大沟道长度可以进一步提高增益。当各MOS管均工作在亚阈值区时，可以实现低功耗要求。3.2 电路结构分析及参数调试M1ppa、M4ppa构成偏置电路，为CMOS放大器提供直流偏置，其管子尺寸大小将较大程度地影响该CMOS放大器的功耗；M1、M2、M3、M4、M5构成输入放大级，其中M1、M2、M3、M4组成电流镜，其管子尺寸大小将较大程度地影响该CMOS放大器的开环增益；M6、M7、M8、M9构成输出级，其中M6、M7构成CMOS放大器的后级放大，将中间级输出进一步放大；M8、M9构成CMOS传输门，影响CMOS的带宽和相位裕度；C1为耦合电容，影响CMOS的带宽和相位裕度；C2为负载电容，其大小影响CMOS放大器驱动负载的能力；Vdd为直流偏置电源即高电平，为11个MOS管提供直流工作点；Vref和Vin为CMOS放大器的两输入端；Out为CMOS放大器的输出端；O为地电平即低电平。101) 电路参数调试：设计CMOS放大器各待定参数过程是：根据设计指标选择器件尺寸和偏置大小，利用仿真软件进行仿真验证和调整。3.3 电路仿真在手工近似计算后，利用仿真软件对电路进行验证、修改和优化。将该参数代入电路中，观察电路性能是否满足设计指标。在仿真中需要设置各MOS管的周长及面积的值。MOS管模型参数如图3.2所示：图3.2 MOS管模型参数Figure 3.2 The model parameters of MOS pipe在最初的调试阶段，去调偏置电路（由M1ppa和M4ppa构成），而直接给相应的MOS管提供一个偏置电压，其调试电路如图3.3所示。图3.3 电路调试图Figure 3.3 Debugging the circuit diagram对vb进行参数扫描，其开环幅频特性如图3.4所示：图3.4 参数扫描Figure 3.4 Parameter sweep通过对外加直流偏置vb进行参数扫描，观察其幅频特性曲线，发现当vb4.0V时，电路性能最优。图3.5 电路调试图的幅频、相频特性曲线Figure 3.5 Debugging the circuit diagram, the amplitude frequency and phase frequency characteristic curve由图3.5知，在外加直流偏置vb4.0V时，由输入放大级和输出级构成的CMOS放大器，其性能基本符合设计指标：单位增益带宽大于2MHz和相位裕度大于45°的要求，可以进行后续参数模拟分析。加入偏置部分后完整电路如图3.6所示：图3.6 CMOS放大器电路拓扑结构Figure 3.6 The topological structure of CMOS amplifier circuitMOS管各参数显示：L沟道长（栅长）；W沟道宽（栅宽）；AD漏区面积；AS栅区面积；PD漏区周长；PS栅区周长。图3.7 MOS管参数设置Figure 3.7 MOS parameter setting1) CMOS放大器模拟结果显示1) CMOS放大器共模输入2.5V （1）静态工作点的显示图3.8 静态工作点显示Figure 3.8 The static working point display由图3.8知，该CMOS放大器的功耗5V×17.00A85W（2）开环幅频、相频特性曲线：图3.9 开环幅频、相频特性曲线Figure 3.9 The open loop frequency and amplitude, phase frequency characteristic curve由图3.9可知：当该CMOS放大器共模输入为2.5V时，开环增益为87.67dB，单位增益带宽为2.5907MHz，相位裕度为55°，满足设计指标单位增益带宽大于2MHz和相位裕度大于45°的要求。（3）直流扫描输出文件：图3.10 直流扫描输出文件Figure 3.10 DC output file由输出文件知总功耗为85uW，满足设计指标功耗小于100uW的要求。 2) CMOS放大器共模输入1.6V（1） 静态工作点的显示图3.11 静态工作点显示Figure 3.11 The static working point display由图3.11知，该CMOS放大器的功耗5V×17.04A85.20W（2）开环幅频、相频特性曲线：图3.12 开环幅频、相频特性曲线Figure 3.12 The open loop frequency and amplitude, phase frequency characteristic curve由图3.12可知：当该CMOS放大器共模输入为1.6V时，开环增益为87.099dB，单位增益带宽为2.7978MHz，相位裕度为51°，满足设计指标单位增益带宽大于2MHz和相位裕度大于45°的要求。（3）直流扫描输出文件：图3.13 直流扫描输出文件Figure 3.13 DC output file由输出文件知总功耗为85.2uW，满足设计指标功耗小于100uW的要求。3) CMOS放大器共模输入3.4V（1）静态工作点的显示图3.14 静态工作点显示Figure 3.14 The static working point display（1）静态工作点的显示图3.14 静态工作点显示Figure 3.14 The static working point display（1）静态工作点的显示图3.14 静态工作点显示Figure 3.14 The static working point display由图3.14知，该CMOS放大器的功耗5V×16.94A84.70W（2）开环幅频、相频特性曲线：图3.15 开环幅频、相频特性曲线Figure 3.15 The open loop frequency and amplitude, phase frequency characteristiccurve图3.17 参数扫描Figure 3.17 Parameter sweep由图3.15可知：当该CMOS放大器共模输入为3.4 V时，开环增益为87.284dB，单位增益带宽为2.3377MHz，相位裕度为57°，满足设计指标单位增益带宽大于2MHz和相位裕度大于45°的要求。（3）直流扫描输出文件：图3.16 直流扫描输出文件Figure 3.16 DC output file由输出文件知，总功耗为84.7uW，满足设计指标功耗小于100uW的要求。4) 不同共模输入电压下幅频和相频特性的参数扫描波形显示：由参数扫描输出波形曲线图3.17知，当共模输入范围为1.63.4时，满足设计指标的要求：开环增益大于80dB，单位增益带宽大于2MHz，相位裕度大于45°。综上所述，通过OrCAD对该CMOS放大器电路的模拟，电路中各参数的设置符合设计指标要求：单电源电压：5V；共模输入范围：1.63.4V；功耗：0.1mW；开环增益：80dB；单位增益带宽：2MHz；相位裕度>45°；可以进行后续版图设计。4 CMOS 运算放大器版图设计4.1版图设计流程由于集成电路的性能与版图设计密切相关，所以，平面布局及各器件的几何图形的设计都会对芯片的性能产生明显的影响，在版图设计时要特别注意采用措施控制相互之间的串扰、失配、减噪声等效应。11集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩膜上的几何图形。对于已完成原理设计的电路进行版图设计时，其基本设计流程如图4.1所示：图4.1 版图设计流程Figure 4.1 Layout design process在设计版图时首先要根据原理电路图及其所选定的工艺进行合理的布局、布线。布局的基本原则有：根据连线最短及减小芯片面积的要求，在电路中处于等电位的MOS管要尽可能共用有源区；尽可能将PMOS和NMOS管集中在一起；数字电路与模拟电路要分隔开，并以保护环作为隔离环进行隔离；布线的基本原则有：一般连线都用铝线实现，并且每一层铝线布线满足其最小宽度及线与线间的最小间距要求；连线以最近连线为准则；连线时应避免天线效应；连线时原则上要求每相邻层选择平行与垂直方向间隔走线。工艺设计规则检查（DRC）：是为了保证所设计的版图能在确定的工艺线上正确生产出来的工艺要求，设计规则就是不管制造工艺的每一步出现什么样的偏差都能保证正确制造晶体管和各种连接的一套规则。因此在设计版图前应熟悉相应工艺线的设计规则，避免在进行DRC检查时因有太多的错误而进行重新布局布线。LVS检查：对比原理图与所设计的版图之间的电路连接是否一致。布局、布线完成后必须进行DRC检查，若有错误则必须重新进行布局、布线，直至完全符合工艺设计规则，然后再对电路原理图的网表与所设计的版图提取的网表进行对比，及LVS检查。有错误必须重新布局、布线，并进行DRC检查，直至没有错误为止。最后一步必须对带有寄生参数的版图进行仿真，以判断所设计的版图的性能是否满足设计指标要求，如不满足则必须重新布局、布线，并重复以上步骤，直至所设计的版图符合要求后，再进行流片。124.2工艺设计规则虽然每个晶体管的宽度和长度是由电路设计决定的，但版图中其他大多数尺寸都要受“设计规则”的限制。而工艺设计规则主要是在满足所选工艺线的设计规则时，工艺厂家保证能生产出所需要的电路，而避免出现短路、断路以及形成不了NOS管（或多了MOS管）等状况。工艺设计规则一般可以归纳为以下几种类型：最小宽度的规定是为了