毕业设计-bi-cmos集成运算放大器(编辑修改稿)

毕业设计-bi-cmos集成运算放大器(编辑修改稿)内容摘要：

和一个输出端 Ou ， 如图 所示。 当输入电压加在 Nu 端和参考电压端（指公共端，一般为零电位）之间时 ,输出电压实的际方向从参考电压端 指向 Ou 端 ,即输入电压与输出电 9 压的方向恰好相反。 当输入电压加在 Pu 端和参考电压端之间 ,此时输入电压与输出电压的方向相同。 为了区别两个不同的输入端 ,在 Pu 和 Nu 两端分别标明 +和。 如图 ，运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比OU=OA(PUNU)其中，OA是运放的低频开环 增益（如 100dB，即 100000倍 ). 图 为了提高放大器的性能，一般会将放大器的输出端和反响输入端短接起来，形成负反馈，负反馈的作用是保证电路工作是的稳定性。 在电路处于深度负反馈时，可利用理想运算放大器工作在线性区时的 虚短 (即正向输入端和反向输入端的电流相等 )和 虚断 （即正向输入端和反向输入端的点位相等）这两个 特点 来分析电路。 集成运放电路主要性能指标 1. 输入失调电压 IOU 输入失调电压 是指当输入电压为零时，由于电路内部结构和器件参数的影响，输出电压不为零。 为了使输出电压为零，在输入端所加的补偿电压即为输入失调电压 IOU。 它 表征运 算放大器 内部电路对称性的指标，一定程度上也反映温漂的大小（一般只有几毫伏）。 2. 输入失调电压温漂 d IOU /dT 输入失调电压温漂是指 在规定 的 工作温度范围内，输入 失调电压随温度的变化量与温度变化量 的 比值 ，也就是 IOU 的温度系数， 它 是衡量 运算放大器 温漂的重要参数， 其值 越小越好。 这个指标比输入失调电压更重要，因为输入失调电压可以通过调节电阻 的阻 值使其降为零，输入失调 电压的温漂 却无法 降为零。 10 3. 输入失调电流 IOI 输入失调电流是指 在输入电压为零时，输入级的 差分 对管基极 （或漏极） 电流的 差 值 ， 这个参数 用于表 征差分级输入电流不对称的程度（一般为 1nA— ）。 4. 输入失调电流温漂 d IOI /dT 输入失调电流温漂是指在 规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量 的 比值。 也就是 IOI 的温度系数， 其值 越小越好。 5. 输入偏置电流 BI 输 入偏置电流是指 当输出电压为零时， 运算放大器的 两个输入端偏置电流的平均值， 这个参数 用于衡量差分放大对管输入电流的大小（一般为 10nA— 1uA）。 6. 最大差模输入电压 maxIdU 最大差模输入电压是指运算放大器的 两输入端 所 能承受的最大差模输入电压，超过 这个 电压时 ,差分 输入管会发生 反向击穿现象。 7. 最大共模输入电压 maxIcU 最大共模输入电压是指 保证 运算放大器 正常工作 的前提 下，共模输入电压的最大值。 如果输入大于这个值 ，差分 输入 管饱和， 则 放大器失去共模抑制能力。 8. 开环差模增益 odA 开环差模增益是指在运算放大器没有外加 反馈 时 ，输出 的 电压 值 与输入 的 电压 值之比（一般为 100dB— 140dB）。 9. 共模抑制比 KCMR 共模抑制比即 差模电压增益 odA 与共模 电压增益 ocA 之比，常用分贝数来表示 ， KCMR=20lg( odA / ocA ） (dB)。 它是衡量差放 输入级的 对称程度 和 运算放大器 抑制共模干扰信号能力的参数，也可以 用来 衡量 运算放大器 抑制温漂的能力。 其值越大越好（一般 为 80dB160dB）。 11 10. 差模输入电阻 idR 差模输入电阻是指 输入差模信号时， 运算放大器 的输入电阻，即差模输入 的 电压 值 与相对应的输入电流值 之 比 ，可 衡量 放大器向 信号源索取电流的能力。 11. 单位增益带宽 Cf (BWG) 单位增益带宽 Cf (BWG)是指 当共模增益 odA 下降到 1 时所对应的频率。 12. 转换速率 RS (压摆率 ) 转换速率是指在额定 负载 的条件下，输入一个大的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。 它 反映 运算放大器 对快速变化的输入信号的响应能力。 集成运放电路的设计流程 1. 确定运算放大器的偏置电流。 2. 确定 MOS 管的栅源电压。 在给定偏置电流时，增大 MOS 管的宽长比（一般长不变，宽增大），则电路的共模抑制比增大，噪 声减小，电路的匹配性好 ， 增益增大。 但缺点是增加了版图面积和寄生电容，电路的 工作 速度减小。 3. 确定器件的尺寸。 4. 确定放大器的补偿。 CMOS 集成运放电路的设计 建库 我们编辑版图是在 Cadence 软件中的 Virtuoso Layout Editor 的版图编辑环境中来进行版图的编辑。 我们首先在系统中建立自己的库，如图 所示： 12 图 建库窗口 建完库后，就可以在自己的库下面建立电路编辑单元，如图 所示： 图 建立电路编辑窗口 CMOS 集成运放的电路图 打开电路编辑单元就可以进行电路编辑了。 其编辑结果如图 所示： 13 图 电路原理图 在这次设计中，我采用差动放大电路作为运算放大器的输入级。 如电路图所示，其要求是两个管子 9M 和 10M 的参数完全相同，而且两个管子的温度也完全对称，这样的要求可以效抑制共模噪声。 2M 、 4M 和 8M 三管的作用是给电路提供合适的直流偏置。 12M和 18M 的镜像电流，其作用是使 9M 和 10M 两个管子漏端的电压差为零，把下一级偏置在一个特定的电流水平。 6M 为电流源。 3M 和 11M 是共源放大器，可作为二级放大。 7M 和 14M 组成输出级。 CMOS 集成运放的电路图仿真 对编辑好的电路原理图进行保存，如果提示有错误，则需仔细查看并进行改正，直至没有报错。 下来就可以进行电路仿真了。 动态仿真是通过仿真器不断向电路模型输入激励信号，仿真器将验证的结果记录下来，然后通过各种方法判断输出的结果是否满足技术指标。 电路仿真 Composerschematic 界面中的 Tools→ Analog Artist项 可以打开 Analog Artist Simulation，出现如图 所示的窗口。 填写 Session（包括 Schematic Window、Save State、 Load State、 Options、 Reset、 Quit 等菜单选项）， Setup（包括 Design、 14 Simulator/directory/host、 Temperature、 Model Path 等菜单选项）， Analyses（选择模拟类型，在 Spectra 下有 ac、 dc、 tran、 noise 四个选项，分别对应的是交流分析、直流分析、瞬态分析和噪声分析。 我们知道：交流分析是分析电流（电压）和频率之间的关系，因此在参数范围选择时是选择频率。 直流分析是分析电流【电压】和电流【电压】之间的关系。 Tran 分析是分析参量值随时间变化的曲线）。 等选项中的交直流电压、电流、温度等仿真所需的参数，然后选择需要仿真的端口，最后点击绿灯就可以进行电路的参数仿真了。 图 仿真窗口 ※ 仿真的具体步骤 1. 在 Edit Variables 窗口中添加新的变量 ,如是 对系统变量 (如温度 )扫描，就略去这一步。 2. 在 Parametric Analysis 窗口中，填入变量名称（温度变量是 temp），设定扫描范围以及步长等。 也可以点击 setup，在 pick name for variables 的弹出菜单中选择所需扫描的参量（除系统参量外，菜单中所列举的都是 variables 中设置的变量）。 3. Outputs/To be plotted/selected on schematic 子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形（点击连线选取节点电压，点击元件端点选取节点电流），这 个菜单比较常用。 当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。 比如 15 说：带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在 Outputs/setup 中设定其名称和表达式。 在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。 4. 然后运行 Analysis 菜单下的 start子菜单，开始模拟，模拟结果会在 Waveform窗口中显示。 ※ 运算放大器电路图的仿真结果 大信号和小信号的瞬态响应分别由将一个 0V 和 5V 脉冲作用到单位增益结构所决定正摆率 和 负摆率，负摆动的大过冲是由输出级造成的，原因是电路确定的期望摆率 值对负载电容充电的电流不足。 1. 其瞬态总响应如图 所示： 图 总瞬态响应 2. 其大信号上升响应如图 所示，摆率为。 16 图 大信号上升响 应 3. 其大信号下降响应如图 所示，摆率为 图 大信号下降响应 4. 其小信号上升响应如图 所示，摆率为 17 图 小信号上升响应 5. 其小信号下降响应如图 所示，摆率为 = V/uS 图 小信号下降响应 6. 共模输出范围如图 所示，其共模输出范围为。 18 图 共模输出范围 7. 失调电压仿真如图 所示，其失调电压约为。 图 失调电压 8. 相位裕度仿真如图 所示，相位裕度为 180176。 － 70176。 =110176。 19 图 相位裕度 9. 增益的 仿真如图 所示，有图可得放大器的放大增益约为 86dB。 图 增益 CMOS 集成运放的参数计算 1. 确定器件参数的原则 L 确定：考虑 MOS 管的耐压，工艺水平，沟道长度调制效应对器件特性的影响。 20 W 确定：对于长沟器件，根据工艺水平先考虑沟道宽度，再根据 W/L 确定 L 的值 源漏尺寸越小寄生电容及漏电流就越小。 相同内型 MOS 管源漏区连接时采用直接连接可以减小源漏区面积，减小寄生电容及漏电，同时也减小了芯片面积。 2. 放大器增益参数的计算 我们首先计算直流偏置，令电源电压 错误 !未找到引用源。 =5V： 由电路原理图可知流经 错误 !未找到引用源。 ,错误 !未找到引用源。 ,错误 !未找到引用源。 三管的电流相等，且三个管子都工作在包河区，则有： =错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 （式 ） 由工艺参数可知 :PMOS 管 错误 !未找到引用源。 =， 错误 !未找到引用源。 = 错误 !未找到引用源。 A/错误 !未找到引用源。 , λ= NMOS 管 错误 !未找到引用源。 =, 错误 !未找到引 用源。 = 错误 !未找到引用源。 A/错误 !未找到引用源。 ， λ= 将电路原理图中的宽长比与上述参数代入式 式 可得： 错误 !未找到引用源。 = 错误 !未找到引用源。 = 那么 错误 !未找到引用源。 管提供的差分偏执电流 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 （式 ） 将对应的参数代入 式 可得 错误 !未找到引用源。 =502uA 差分放大级的偏置电流一般根据增益，共模抑制比，功耗和噪声以及匹配性等来确定。 我们选择差分放大级作为运算放大器的第一级，其小信号增益为： =错误 !未找到引用源。 (错误 !未找到引用源。 ) 21 （式 ） ∵ 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 （式 ） 我们分析运算放大器的两个输入（即 错误 !未找到引用源。 管和 错误 !未找到引用源。 管的栅极）电压相同时，由于镜像电流的作用，流过 错误 !未找到引用源。 管和 错误 !未找到引用源。 管的电流相等，这样便可知 错误 !未找到引用源。 管的栅源电压和漏源电压相等。 考虑沟道长度调制系数 ，则 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 （式 ） ∴ 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =错。