基于Spectre运算放大器的设计

合集下载

Spectre仿真器在集成电路设计的应用

Spectre仿真器在集成电路设计自动化中的应用
卢小冬大唐微电子，集成电路设计部
摘要: Spectre是一个非常重要的、非直接继承SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）的电路数值模拟器之一。通过一个众所周知的集成电路单元-CMOS运算放大器的参数仿真提取，本文简要介绍了如何在模拟集成电路的设计自动化中使用Spectre工具。总的来说， Spectre仿真器不但能以更快的速度和更好的收敛特性支持现有的所有SPICE分析，还能提供很多额外的功能。通过将Spectre工具引入集成电路设计自动化，好处远不止得到一个强大的分析工具本身。
两个网表分别存储在文件 model.scs 和 ova.scs 中。可以使用 Spectre 仿真器的“include”语句将这两个网表包含中仿真的网表文件中，这样通过在仿真文件的电路网表中实现图 2 的不同配置电路即可进行所有的仿真。
Vdiff/2 +
Vcom
+ + Vdiff/2
_ A
+
Vout Cload
本文介绍了在CMOS模拟电路仿真中如何使用Spectre仿真器进行基本的分析。一个CMOS 的电压运算放大器（OVA）被用来作为介绍仿真器使用的电路实例。为了简单起见，文章不涉及AMS设计环境，而是用Spectre的网表（Netlist）仿真模式。由于难以在此详尽展示Spectre仿真器的强大功能，因此在结尾又额外添加了一段独立强调了Spectre的重要特性。
（Miller-effect）补偿电容 Cm 。电路单元的管脚包括：电源（VDD 和VSS / GND ），差分信号输入Vin− 和Vin+ ，信号输出Vout 。

基于Proteus的音频放大器电路设计与仿真

毕业论文学生姓名尹有友学号171107078学院物理与电子电气工程学院专业电子信息工程题目基于Proteus的音频放大电路设计与仿真指导教师付浩副教授/学士2015年5月论文原创性声明内容本人郑重声明：本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

本论文除引文外所有实验、数据和有关材料均是真实的。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：日期：年月日摘要：音频放大电路具有电路元件多，电路逻辑规模大等特点，本文针对音频放大电路在设计时遇到的参数匹配性低、电路调试复杂等问题，借助PROTEUS仿真软件平台设计了一种效率较高、操作简单的音频放大电路系统。

该电路系统由前置放大模块、音量控制模块、功率放大模块等模块组成，通过调整电路元件及其参数，在PROTEUS软件平台对各电路模块进行电路设计和仿真分析。

本电路在PROTEUS仿真环境下最终可以使电路将微弱的音频信号进行高效率地放大、传输，实现音频放大的功能。

该电路系统模块设计简单、结构清晰，成本低，对于生活中扩音器、功放设备等诸多领域中具有很好的推广价值。

关键词：音频放大电路，Proteus，仿真测试Abstract:Audio amplifier has a circuit element. The scale of the logic circuit and other characteristics, this paper for audio amplification circuit encountered in the design of parameters matching, circuit debugging complex etc., with Proteus simulation software platform, designs a kind of high efficiency and simple operation, audio amplification system.The circuit system is composed of pre amplifier module, tone adjustment module, power amplifier module, through adjusting circuit components and parameters, in the Proteus Software Platform of each circuit module of circuit design and simulation analysis. In the PROTEUS simulation environment, the circuit can amplify and transmit the weak audio signal in high efficiency, and realize the function of audio frequency amplification.. The circuit module of the system design is simple, clear structure, low cost, has good popularization value for life amplifier, power amplifier equipment and many other fields.Key words:Audio amplifier,Proteus,Simulation test目录1 前言 (3)2 Proteus软件及其对实验教学的意义 (4)2.1 Proteus软件 (4)2.2 基于Proteus仿真技术的音频放大电路设计思路及其意义 (4)3 音频放大电路系统设计 (5)3.1 设计要求 (5)3.2 系统总体框架图 (5)3.3 总体设计图 (4)4 功能模块的设计 (6)4.1 前置放大模块 (6)4.2 音量控制模块 (7)4.3 功率放大模块 (7)4.4 电源模块 (8)5 Proteus设计与仿真 (9)5.1 音频放大电路的Proteus设计与仿真 (9)5.1.1 前置放大器电路仿真和分析 (9)5.1.1.1 电路组成 (9)5.1.1.2 电路测试与分析 (10)5.2.1 音量调节电路仿真和分析 (10)5.2.1.1 电路组成 (10)5.2.1.2 电路测试与分析 (10)5.2.2 OCL功率放大电路的仿真和分析 (12)5.2.2.1 电路组成 (12)5.2.2.2 参数测试 (13)5.2.3 电源模块 (13)5.2.4 音频放大电路 (14)5.3 音频放大电路测试和分析 (15)结论 (16)参考文献 (17)致谢 (18)1 前言音频放大器是音响系统中的关键部分，普遍应用于日常生活中，具有很强的实用性，其主要功能是将微弱的音频信号进行放大、传输，最终以足够的强度去推动扬声器使原声重现。

Spectre仿真器在集成电路设计的应用

带宽 ( BW ) ADC × BW 积 ( GBW ) 相位裕度 (φm ) 输入/出阻抗 ( Zin,out ) 等效输入噪声 (Vneq )
无论是手工设计还是数值模拟，电路设计的目标都是确定上述参数。这样，在复杂的电路系统中，运算放大器单元就可以使是用于 Spectre 仿真分析的、经典结构的运算放大器。其中晶体管 M8 和 M9 构成电流参考源，它用于偏置放大电路。其他电路包括：由 M1 和 M2 组成的差分输入级，有源负载（M3 和 M4），电流源（M7）和反向输出级（M6，由 M5 提供电流源）和一个密勒效应
Spectre是一个非常重要的、不是直接由SPICE继承而来的电路仿真工具。经过多年作为 cdsSpice（Cadence公司早期的SPICE类仿真工具）仿真工具以外选项之后，Spectre已经完全被集成到Cadence的AMS设计环境之中，并作为仿真环境下标准的模拟电路仿真工具。它能够提供 SPICE仿真具有的直流（DC），小信号交流（AC）、瞬态（TRAN）标准分析功能，也能提供基于工艺参数的灵敏度（sensitivity）和蒙特卡洛（Monte Carlo）分析，基于电路拓扑（无源元件参数）的分析，以及其他重要的电路分析功能。
表 3 参数提取-仿真电路配置关系
参数
配置
分析功能
IR
Open Loop
OR
Vcom = 2.5V DC sweep of Vdiff
CMR
VTC Vout vs Vdiff
Follower
Voff
Follower
DC sweep of Vin VTC Vout vs Vin
Vin = 2.5V
Monte Carlo of Operating Point

跨导运算放大器及其Spice电路模型的构建

2.1 CMOS模拟集成电路基本单元2.1.1 MOS场效应管的基本结构绝缘栅场效应管又叫作MOS场效应管，意为金属-氧化物-半导体场效应管。

图2.1为MOS场效应管的结构和电路符号。

图中的N型硅衬底是杂质浓度低的N型硅薄片。

在它上面再制作两个相距很近的P区，分别引为漏极和源极，而由金属铝构成的栅极则是通过二氧化硅绝缘层与N型衬底及P型区隔离。

这也是绝缘栅MOS场效应管名称的由来。

因为栅极与其它电极隔离，所以栅极是利用感应电荷的多少来改变导电沟道去控制漏源电流的。

MOS场效应管的导电沟道由半导体表面场效应形成。

栅极加有负电压，而N型衬底加有正电压。

由于铝栅极和N型衬底间电场的作用，使绝缘层下面的N型衬底表面的电子被排斥，而带正电的空穴被吸引到表面上来。

于是在N型衬底的表面薄层形成空穴型号的P型层，称为反型层，它把漏源两极的P区连接起来，构成漏源间的导电沟道。

沟道的宽窄由电场强弱控制。

MOS场效应管的栅极与源极绝缘，基本不存在栅极电流，输入电阻非常高。

[20,21]图2.1MOS场效应管的结构和电路符号Fig.2.1 Structure and circuit symbol that MOS Field-Effect Transistor 场效应管有P型和N型之分。

这里的P型或N型，指的是导电沟道是P型还是N 型，即导电沟道中是空穴导电还是电子导电。

因为场效应管中只有一种载流子参加导电，所以又常称为“单极型晶体管”。

P型沟道和N型沟道的MOS场效应管又各分为“耗尽型”和“增强型”两种。

耗尽型指栅极电压为零时，就存在导电沟道，漏源中间有一定电流。

增强型MOS场效应管，则只有在栅极电压大于零的情况下，才存在导电沟道。

2.1.2 MOS场效应管的模型化MOS管的大信号（直流）特性可以用它的电流方程来描述。

以N沟道增强型MOS管为例，特性曲线和电流方程如图2.2所示。

图2.2 特性曲线和电流方程Fig.2.2 Characteristic property curve and electric current equation如果栅源偏置电压GS V 大于MOS 管的阈值电压T V ，则在P 型衬底的表面由于静电感应会产生大量的电子，形成导电沟道。

基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计_解读

天津大学硕士学位论文基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计姓名:刘莉申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:滕建辅20090501摘要随着集成电路技术和通信技术的发展,全集成有源滤波器的设计已经成为国际学术界所关注的前沿课题之一。

特别是近年来,片上系统(System…on a Chip 的发展也迫切需要解决有源滤波器的全集成问题。

本文在全面归纳总结国内外全集成有源滤波器的研究现状和发展动态的基础上,从网络综合理论出发,较系统地研究了基于信号流图模拟法的全集成有源滤波器的设计技术,利用双端接载的无源LC梯形滤波电路具有响应对元件变化灵敏度低的优点,将其作为原型滤波器,详细地推导了六阶Butterworth低通滤波器和六阶Chebyshev带通滤波器的信号流图,并实现了相应的基于反相积分器的有源RC滤波器和全差分有源RC滤波器。

并从全集成的角度出发,着重研究了作为滤波器的关键部分的全差分运算放大器的特性对全集成有源滤波器的性能的影响,在此基础上设计了一种适合于本文中所设计的全集成有源RC低通和带通滤波器的宽摆幅、低功耗的全差分运算放大器。

在设计及仿真过程中,具体的研究了运算放大器的各项性能指标对全集成有源滤波器的选频特性和稳定性的影响,给出了在滤波器设计过程中如何选择适当的运算放大器的方法。

滤波器电路采用了特许半导体(Chartered0.35urn CMOS工艺进行设计。

通过使用Cadence设计环境下的Spectre工具仿真,运放单位增益带宽达到 128MHz,相位裕度为61。

,低频增益78dB,功耗小于1.3mW,保证了全集成有源滤波器的选频特性和稳定性。

仿真结果表明,全集成有源RC低通和带通滤波器的各项性能指标都满足设计要求,并实现了滤波器的低功耗设计。

关键词:全集成有源滤波器信号流图CMOS全差分运算放大器AB STRACTWith the development of integrated circuit and telecommunication technologies, the design of full-integrated active filters has become one of the mo st important advances in analog VLSI and attracted much attention in the academic world. Particularly,in recent years,the problem,which cries for solving,isthe full.integration of the active filters,for the development of System-on-a-Chip.In this dissertation,the international and national researches status quo and the developing trends ofthe full-integrated active filters are systematically reviewed.The design technology of full-integrated active filters that based on the theory of network synthesis and signal flow graph is deeply studied.On the basis of the doubly terminated LC ladder prototype,whose magnitude response is extraordinarily insensitive to perturbations of the LC elements and to the terminating resistances,the detailed signal flow graphs of sixth-order Butterworth low-pass fiker and sixth—order Chebyshev band-pass filter are derived respectively,and the corresponding active RC filters based on inverting integrator and full-differential active RC filters are realized. Focusing on the full-integration,special emphasis is laid tO po缸OUt the influence that the performance of the fully differential operational amplifier makes to the active filters.According tO the analysis,a fully differential operational amplifier with wider unity・gain bandwidth and low power is designed for the sixth-order Butterworth low-pass filter and sixth-order Chebyshev band—pass filter inthis paper,and then a practical method for choosing the suitable operational amplifieris proposed.Filter ckcuk is designed with Chartered O.35I_tm CMOS technology ckcuit is simulated by the Spectre in Cadence,Unity-gain bandwidth of operational amplifier is reached 128MHz,phase margin is 61。

Proteus及Cadence实训课程设计——差动运算放大器设计

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目: 差动运算放大器的设计初始条件：计算机、Proteus软件、Cadence软件要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习Proteus软件和Cadence软件。

（2）设计一个差动运算放大器电路。

（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：2013.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2013.11.17-11.21对差动运算放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2013.11.22 提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................................... I I1 绪论 (1)2 设计内容及要求 (2)2.1设计的目的及主要任务 (2)2.2 设计思想 (2)3 差动运算放大器的介绍 (3)3.1 基本原理 (3)3.3 电路图的设计 (3)4 Proteus软件的运用及电路的设计与仿真 (4)4.1 原理图的绘制 (4)4.2 仿真与调试 (5)5 Cadence软件的运用与PCB的设计 (7)5.1 原理图的设计 (7)5.2 PCB的设计 (8)6 心得体会 (11)参考文献 (12)摘要差分放大电路能有效地抑制零点漂移，是集成运算放大电路的输入级电路，也是其它模拟集成电路的重要单元电路。

基于运算放大器设计电路

基于运算放大器设计电路运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种常见的电子元件，它能够对输入信号进行放大、滤波、积分等处理。

在电子电路设计中，基于运算放大器设计电路是一项重要的任务。

本文将介绍运算放大器的基本原理和设计方法，并以一个具体的电路设计案例加以说明。

首先，让我们来了解一下运算放大器的基本原理。

运算放大器一般由一个差分输入级、一个电压放大器和一个输出级组成。

它的输入端有一个非反相输入端（+）和一个反相输入端（-），输出端则与反相输入端相连。

当在非反相输入端加上一个正电压（V+）时，在反相输入端就会产生一个相等但与V+相反的负电压（V-），这个电压差将被放大并输出。

运算放大器具有高放大倍数、输入阻抗高、输出阻抗低等特点，使得它在电子电路中有着广泛的应用。

基于运算放大器设计电路时，首先需要明确电路实现的功能和需求。

例如，如果需要设计一个放大器电路，要求输入信号经过放大后输出，并能满足一定的增益和频率响应要求。

在这种情况下，我们可以选择一个合适的运算放大器芯片，并根据其参数来确定外围电路的设计。

在选择运算放大器芯片时，需要考虑输入电压范围、供电电压、增益带宽积等参数。

根据需求，如果需要放大带宽较高的信号，则需要选择增益带宽积较大的运算放大器。

进一步，我们可以根据电路设计的增益要求来确定运算放大器芯片的放大倍数。

接下来，根据所选运算放大器芯片的数据手册，我们可以找到相应的电路连接方式。

常见的连接方式有反相放大器、非反相放大器、仪表放大器等，根据具体需求选择合适的电路连接方式。

以反相放大器为例，该电路的输入信号与反相输入端相连，输出信号则取自反相输入端。

通过适当设置反馈电阻和输入电阻，可以调整放大倍数以满足设计要求。

此外，为了保证电路的稳定性和可靠性，还需要考虑功耗、温度特性、输入偏置电流等因素。

可以选择具有较低功耗和温漂的运算放大器芯片，并通过合适的设计来降低输入偏置电流对电路性能的影响。

运算放大器设计.ppt

总的输入噪声： VOUTENTGNBW
输出噪声：
计算例：
运放
LT1028,BW=0-1000Hz,电阻值如图
E n 0 .9 ( n V / E I = I N （ R 1 / / R
E
R
R / 8(nV /
Hz )
2 )= 1 p A
Hz
Hz ) 1/8
E NT
E N 2 E I2 E R2
3应用技巧调零电路运算放大器性能扩展技术提高输出电压提高输入电阻单电源供电问题三应用举例1信号放大反相放大同相放大差动放大u1alf347nu2alf347nr110kr210kr310kr410kr510kr610kr710kr820ku3alf347nr920kv211121314xsc1xda1thdxfg115仪表放大仪器放大器输人端的屏蔽防护方法2模拟运算反相型加法器基本积分器对数运算器具有温度补偿的指数运算器乘除发器对数逆对数幂运算器电流电压变换器3电流电压转换电荷放大器5滤波电路u1741bal1bal2vsvsr120kr220kr310kc1470nfc2470nfv112v212vovivpk1000hzr410k6电压比较以及波形产生过零比较器741xfg11k1kxsc102bz2250002bz22反相滞回比较器c147nfr220k50220kkeyarw2r451kr520kd102dz47d202dz47u1741bal1bal2vsvsv112v312r120k用反相滞回比较器实现的方波电路其他波形发生电路7低噪声运放电路噪声模型手册已知op的宽带噪声输入电压密度输入电流噪声密度给定电阻阻值
微功耗仪表放大器
USD 1.05
0.0 12
250
5+2 12 0/G 0

集成电路_Spice,Spectre仿真总结

集成电路_Spice,Spectre仿真总结集成电路_Spice,Spectre仿真总结Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA Designers-Guide to Spice a nd Spectre — Ken Kundert 11.1 绪论 1. 为什么要读这本书①该书是介于算法和教你如何操作软件之间的一本书可以帮助你更好的使用Simulator的设置。

② Simulator仿出的结果可靠不精确不是否收敛应该如何处理如何设置③读完这本书你应该会 1 Simulator如何计算结果 2 Simulator 会产生何种错误如何识别 3 如何提高仿真精度 4 如何克服不收敛的情况 5 对于一些特殊电路会产生什么错误如何识别 6 明白仿真器里设置convergenceerror control的一些重要参数 7 能知道仿真器的错误信息出在什么地方如何解决2. 电路仿真软件的发展历史①直接方法求出电路的微分方程组用数值积分方法差分化然后用牛顿迭代法求解非线性代数方程组。

?是最准确可靠最通用的方法② Explicit integration methods ?方法问题很多③ relaxiton methods ?方法问题很多 3. Spice Options ① Global Options: Abstol控制电流默认为1pA Vntol控制电压默认为1uV Reltol相对误差对于牛顿收敛准则和截断误差准则同时起作用默认10-3对于重要电路这个应该设置小一些比如说10-5或者10-6Gmin防止非线性器件关断后的浮空节点默认为10-12 Ω-1LimptsPivrelPivtol无用处② DC Analysis Options: ltl1DC工作点最大牛顿迭代次数默认100 ltl2DC Sweep最大牛顿迭代次数默认50 ltl6Source Stepping的最大步长数增加以上3个值可以增加DC牛顿迭代收敛但是会降低速度。

模拟集成电路设计(跨导运算放大器)【范本模板】

模拟集成电路课程设计跨导放大器学院：电信学院班级：微电子92组长:曾云霖（09053057）组员:黄雄（09053042）蒋仪（09053043）跨导放大器设计设计题目:基于所给的CMOS工艺设计一款跨导放大器.跨导放大器的特点是具有非常大的输出阻抗，将输入电压转换成电流输出，相当于压控电流源。

该电路的设计同样需要包括偏置电压电流产生电路。

设计指标:设计指标：（供参考）性能参数测试条件参数指标负载电容30pF电源电压范围 2.5～5.5V静态电流VDD=3。

6V，Temp=27℃〈250μA输出摆幅输入共模电压VDD =3。

6V，Temp=27℃VDD =3。

6V，Temp=27℃0.6～1。

2V0。

1～1V开环增益(低频）VDD =3。

6V，Temp=27℃1800~2200单位增益带宽VDD =3。

6V,Temp=27℃>3MHz相位裕度VDD =3。

6V，Temp=27℃〉60°PSRR（低频）VDD =3。

6V,Temp=27℃>65dB跨导（低频）VDD =3.6V，Temp=27℃（900～1100)μA /V 转换速率VDD =3。

6V，Temp=27℃>3V/μs设计要求：1．确定设计指标(以上指标供参考，可以进行适当修改,但需说明原因）; 2．根据设计指标,可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；3．阅读模型文件,了解可以选用的器件类型与尺寸范围；4．手工设计:根据拟定的设计指标,初步确定满足指标的各元件的模型与参数：MOS：沟道长度与宽度，并联个数；电阻：宽度、长度、串并联个数；电容：宽度、长度、并联个数；三极管:并联个数.5．采用全典型模型，27℃，验证电路是否满足设计指标；6．设计偏置电路：a）选定电路结构；b) 手工设计：确定各元件的模型与尺寸；c）采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；7．将偏置电路和主体电路合在一起仿真，采用全典型模型,27℃，VDD=3.6V，要求电路达到“设计指标"要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求（可能需要多次调整)，并应包括以下内容：a）一输入端固定为0。

2.Spectre电路特性仿真

Cadence IC设计实验实验二、 Spectre Simulation实验目的：掌握电路特性仿真方法进入Cadence系统：cd 你的学号/adelabic5icfb &实验内容与步骤：一、nand2电路仿真[1]、创建激励信号电路模块：在CIW窗口（icfb-Log:/…）：Tools->Library Manager，弹出Library Manager 窗口，在Library中应有mylib，点击它。

File->New->Cellview，在弹出的“Create New File”窗口Cell Name栏中，testnand2Tool栏中，选Composer-Schematic， OK在“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口中，按下图加入单元（Instance）、Pin并连线。

点击Check and Save图中所有单元来自analoglib库symbol，参数如下：Cell Name CDF Parametervpulse V0: V olt 1:0, V olt2:3, Delay:10n, Rise:500p,Fall:500p,width:10n,Period:20n vpulse V1: V olt 1:0, V olt2:3, Delay:15n, Rise:500p,Fall:500p,width:20n,Period:40nvdc For V2: DC votlage：3，Number of noise:0 (前面所有电源此项均为0)cap For C0: Capacitance: 100fvdd，gndPin管脚：Name: INA INB OUT, Direction: inputoutput[2]、编写仿真文件1．设置仿真环境。

点击Tools->Analog Environment2．设置仿真模型文件路径。

在弹出的“Analog Design Environment”（ADE）窗口，点击Setup->Simulation Files在Include Path中加上./Models ， ->OK3．输入模型文件名。

使用spectre做Noise分析

5.75E-07 5.40E-08 3.81E-08 2.77E-08
nV/√Hz 575 53.97301 38.11189 27.67233
4. 参考资料：
1. 模拟集成电路设计与仿真，何乐年，73-77
2. 开始仿真，等待仿真结束。 3. 查看仿真结果。
3.1 plot 噪声功率谱密度
Result_Direct Plott Plot_Equivalent Input Noise，如下图，噪声单位为 V/ Hz。也可以 plot 出噪声功率，即单位为 V2/Hz。在这个图中可以得到的信息为 1000kHz 之前主要是 1/f 噪声在起作用。
低噪声放大器的设计，一般要求分析其等效输入噪声[1]，在 spectre 中分析噪声的步骤为，
1. 设置仿真参数。
类似“ac”分析； “output Noise”设置为“voltage” ， “Positive output node”和“Negative output node”分别选择输出电压的两端，如双端输出运放的两个输出端或者单端输出运放的输出端和 gnd； “input Noise”选择“voltage” ，设置在输入端得一个电压源（如信号输入电压源），仿真工具将把输出噪声除以增益，等效到这个电压源上。点击“OK” 关闭对话框。
据电路的实际需要来确定。但无论如何设计，目前很难将等效输入噪声降低到 3nV/ Hz以下。
m 1 1 2 2
W 2 4 4 8
L 0.5 1 1 2
total eq 1.15E-03 1.08E-04 7.63E-05 5.54E-05
4M 2.00E+03 2.00E+03 2.00E+03 2.00E+03

一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的设计

责任编辑：毛烁 2020.3一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的设计Design of a high current efficiency sleeve cascode operational amplifier鲍占营（湘潭大学物理与光电工程学院，湖南湘潭 411105）摘要：本文提出了一种非对称套筒式共源共栅放大器。

同传统对称套筒式共源共栅运算放大器相比，在相同的带宽和输入跨导情况下，非对称套筒式共源共栅结构具有更高的电流利用效率，该结构能够减小放大器的尺寸和功耗，同时不影响放大器的增益和输出摆幅。

基于Cadence Spectre对电路进行了仿真验证，仿真结果表明，非对称套筒式共源共栅结构具有接近单端放大器的电流利用效率。

关键词：非对称；套筒式共源共栅放大器；带宽；跨导0 引言放大器是最重要的集成电路之一，可以追溯到真空管时代。

由于放大器具有很多有用的特性，所以已经成为当代高性能模拟电路和混合信号的主要选择[1]。

工作于负反馈状态的放大器是模拟电路的基本单元之一，广泛应用于模拟电路，例如ADC 、仪表放大器、误差放大器等。

放大器可分为单端放大器与差分放大器。

单端放大器结构简单，电流效率高，易于计算和使用，但无法完成差分信号的处理。

差分放大器处理差分信号，有更高的电源噪声抑制比和更大的输出摆幅，但是相比于同类单端放大器有着更高的功耗和面积[1-2]。

共源共栅运放增益较高、结构简单、计算方便，是常用的差分放大器。

共源共栅运放有套筒式和折叠式两种，折叠式共源共栅结构共模输入范围较高[3-4]，但是多了输入对支路，有更多的电流消耗，电流利用效率较低。

套筒式共源共栅输入共模范围较低，但是省了额外的输入对支路，相比于折叠式共源共栅有更高的电流效率。

1 单端放大器与传统套筒式共源共栅结构分析１．１　单端放大器单端放大器以电阻负载的共源极为例，如图 1（a ），M1为输入管，电阻R D 为负载电阻，C L 为负载电容，共源放大器工作原理简单，可以直接写出它的增益和增益带宽积。

二阶带密勒补偿的运算放大器的IC设计与实现

大学课程设计任务书一.功能描述设计如下图的放大器，负载电容C L= 125fF。

运算放大器指标制定：Av > 9000V/V，VDD = 3.3V，GB >25MHz，SR > 30V/µs，60°相位裕度，ICMR= 1.3-2.8V，Vout 摆幅 =0.5-3.0V,Pdiss≤1mW。

基于cadence软件仿真环境，设计时MOS管参数取下列值：V THN＝0.645V，| V THP | =0.867V，K n’=110 μA/V2，K p’=50 μA/V2 ,λn＝0.04V-1，λp＝0.05V-1（有效沟道长度为1μm时）,λn＝0.01V-1，λp＝0.01V-1（有效沟道长度为2μm时），γ=0.4。

二.电路设计1.参数设计Step1：根据相位裕度PM=60deg的要求，求C c（假定ωz>10GB）;考虑零点的影响，CC的选取：PM=60°时，GB处︒-︒=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫⎝⎛60180ccc21zppGBtgarGBtgarGBtgarωωω令ωz =10GB时()︒-︒=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛+︒601801.0cc902tgarGBtgarpω若PM>60 °, ωp2>2.2GB ，并由ωz=10GB2.210mII mIIL Cg gC C>⨯由此可得：LCCC22.0>,C L= 125fF,取C C= 80fF,由于实际需要取100fF。

Step2：由已知的Cc 并根据转换速率的要求（或功耗要求）选择SS I （5I ）的范围；c C I SR 5=，并考虑功耗问题VDD×(I 5+I 6)≤2mW ,这里我们取I 5=5µA 。

Step3：由计算得到的电流偏置值(I5 /2),设计W3/L3（ W4/L4 ）满足上ICMR （或输出摆幅）要求，即饱和区条件；极限情况下，即ICMR 达最大4.5V 时，M3，M4管的过驱动电压为：3,4OD DD THn THpV V ICMR V V +=-+-M 3，M 4均工作在饱和区：,3||INCM MAX DD GS THN V V V V ≤-+ （V THN ＝0.645V ，VDD=3.3V ）⇒V SG3≤1.1V ,取V SG3=1.06V ，即3OD V =0.2V 由此可得，M3，M4管的漏电流：2253(4)3,411/2()2022p ox OD p ox DD THn THp W WI I C V C V ICMR V V A L L μμμ+===-+-=而 233GS3TP I 1/2(W/L)(V |V |)P OX C μ=-233GS3TP (W/L)2/((V |V |))P OX I C μ≥-⇒ 3(/) 2.5W L =/1, 实际取3/1。

基于Spectre运算放大器的设计讲解

《集成电路CAD》课程设计报告课题：基于Spectre运算放大器的设计一：课程设计目标及任务利用Cadence软件设计使用差分放大器，设计其原理图，并画出其版图，模拟器各项性能指标，修改宽长比，使其最优化。

二：运算放大器概况运算放大器（operational amplifier），简称运放（OPA），如图1.1所示：图1.1运放示意图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，无论是使用晶体管或真空管、分立式元件或集成电路元件，运算放大器的效能都已经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的，现在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。

三：原理图的绘制及仿真3.1原理图的绘制首先在Cadence电路编辑器界面绘制原理图如下：图3.1电路原理图原理图中MOS管的参数如下表：Instance name Model W/m L/m Multiplier Library Cell name View name M1 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbolM2 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbolM3 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbolM4 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbolM5 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbolM6 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol 另：图中所使用的电压源为5v3.2运算放大器的增益仿真首先绘制测试电路原理图如下：图3.2.1运算放大器增益仿真电路图图中包含运算放大器电路和偏置电路两部分。

2.Spectre电路特性仿真

点击Tools->Analog Environment2．设置仿真模型文件路径。

在弹出的“Analog Design Environment”（ADE）窗口，点击Setup->Simulation Files在Include Path中加上./Models ， ->OK3．输入模型文件名。

Spectre电路设计

进入CadenceStep1:进入工作站，在窗口下方的一排上拉菜单中选择Hosts菜单，左键单击Console项，如图1所示，打开Console窗口。

图1 运行xtermStep2：在Console窗口中，确认当前路径为用户的工作目录，在提示符后输入“icfb &”并回车，如图2所示，运行Cadence软件。

图2 在Console窗口中输入icfbCadence软件成功启动之后会弹出如图3所示的Command Interpreter Window（CIW窗口）。

图3 CIW窗口查看库管理器（Library Manager）Step1：左键单击CIW窗口的“Tools”菜单，将出现如图4所示的上拉子菜单。

图4 Tools上拉菜单Step2：左键单击“Library Manager”，打开库管理器，如图5所示，若取消选择“Show Categories”与“Show Files”项，则窗口中只包括Library、Cell、View相应的内容。

若将“Show Categories”与“Show Files”选中，则还会包括Library内的Category以及除Cell文件以外的其它文件信息，如图6所示。

图5 库管理器窗口（Show off）图6 库管理器窗口（Show on）Step3：双击需要打开的View名或在该View名处点鼠标右键并从弹出菜单中选择“Open”即可打开相应的文件。

该右键菜单中还包含“Delete”、“Rename”等项，可进行删除和重命名操作。

Step4（optional）：在Library Manager窗口上排的下拉菜单中选择“File/New/Category”将弹出如图7的窗口，此步操作可在当前所选中的Library中建立Category用来将库中的Cell和现有目录分类。

在“Category Name”栏中填入预建立的目录名，如“myCategory”。

在“Cells”栏中，左边“Not in Category”框内显示的是所有不在myCategory目录下的Cell名。

基于cadence的低噪声放大器设计

圖 2-3、1dB 增益壓縮點(P1dB)之定義。放大器中主動元件具有非線性，供應電壓有限制等這些因素，一般的
- 28 -
情形下輸入為小訊號時，輸出為線性放大且增益為定值和輸入功率較無相關；但當輸入訊號之功率持續增大，其增益就會有逐漸變小乃至於飽和無法提供增益。因此可以定義出 1dB 增益壓縮點(P1dB，如圖 2-3)用來衡量放大器之線性工作範圍。其定義為當輸入訊號之功率增大到此強度時，其非線性之真實增益剛好比理想線性增益低 1dB，此功率強度即為 P1dB。
- 35 -
(a)
(b)
圖 2-11、Direct Plot Form 視窗：(a) 繪製 s 參數，(b) 繪製 NF。類似的方法也可以繪製穩定度 K 因子：Direct Plot Form 畫面中選取 Analysis 內的 sp，Function 內的 Kf 即可，在此不再贅述。 B. 線性度模擬要模擬線性度，我們必需讓輸入的功率是可控制變數，在 schematic 裡我們就必需先在 port 這個元件做一些設定。選取輸入 port 如圖 2-12，改變裡面的綠色框框內的內容，Frequency Name 1 隨你取名字，不取也無妨，Frequency 1 輸入頻段內你想要的頻率，Amplitude
- 32 -
圖 2-7、Choosing Analyses 視窗及 sp 模擬設定。
圖 2-8、Schematic 中 port 的選取畫面。
- 33 -
選完 port 之後，再輸入自己要掃描的頻率範圍(也可以掃描其他變數)，在圖 2-9 的例子裡，我們輸入了 1GHz~5GHz 的範圍。下圖的 Sweep Type 內有 Linear （線性掃描）、 Logarithmic （對數掃描）、 Automatic（模擬軟體幫你選的最快速掃瞄）。