二级运算放大电路版图设计
二级运算放大电路版图设计
二级运算放大电路版图设计1前言12二级运算放大器电路 12.1电路结构 12.2设计指标 23 Cadence仿真软件 33.1 schematic原理图绘制 33.2 生成测试电路 33.3 电路的仿真与分析 43.1.1直流仿真 43.1.2交流仿真 43.4 版图绘制 53.4.1差分对版图设计 63.4.2电流源版图设计 73.4.3负载MOS管版图设计 73.5 DRC & LVS版图验证 83.5.1 DRC验证 83.5.2 LVS验证 8 4结论 95参考文献 9本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计。
以传统的二级运算放大器为例，在ADE电路仿真中实现0.16umCMOS工艺，输入直流电源为5v，直流电流源范围27~50uA,根据电路知识，设置各个MOS管合适的宽长比，调节弥勒电容的大小，进入stectre仿真使运放增益达到40db，截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60。
版图设计要求DRC验证0错误，LVS验证使电路图与提取的版图相匹配，观看输出报告，要求验证比对结果一一对应。
关键词：cadence仿真，设计指标，版图验证。
AbstractIn this paper, the circuit simulation and layout design of twostage operational amplifier are briefly described by using cadence software. In the traditional two stage operational amplifier as an example, the realization of 0.16umCMOS technology in ADE circuit simulation, the input DC power supply 5V DC current source 27~50uA, according to the circuit knowledge, set up each MOS tube suitable ratio of width and length, the size of the capacitor into the regulation of Maitreya, the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB, the cut-off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60.. The layout design requires DRC to verify 0 errors, and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout, viewing the output report, and requiring verification to verify the comparison results one by one.Key words: cadence simulation, design index, layout verification.1前言近几年来，人们已投入很大力量研究版图设计自动化，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。
两级运算放大器的版图设计(版图设计实验报告)
版图设计实验报告一、实验名称：两级运算放大器的版图设计二、实验目的：1、掌握模拟CMOS集成电路的设计方法2、掌握模拟CMOS集成电路的版图设计方法三、实验要求：1、设计对象为单端输出的两级运算放大器电路，其性能为：（1）、负载电容为CL=15pf，负载电阻为RL=100K欧；（2）、电源VDD=5V；（3）、增益带宽积CBW大于40MHZ；（4）、增益AVO大于80DB；（5）、相位裕都PM大于65；（6）、输入摆幅大于3V，输出摆幅尽量大；2、查阅相关资料，学习模拟CMOS集成电路版图的设计技巧3、完成两级运算放大器的版图设计，注意版图的对称性和隔离的设计，完成版图的DRC 验证；4、要求设计的版图满足电路的功耗，性能，功能，面积合理，美观。
四、设计对象仿真后MOS管的宽长比如下图：备注：电阻：R1为180欧电容：C1为2.62pf五、实验步骤1、观察模型文件（.SCS文件）或通过对CMOS管点单电路的DC分析并查看MOS管的直流工作点参数，得到PMOS，NMOS的基工艺参数（TOX，Cox，VthN，VthP等）2、确定具体的设计方案3、在schematic中画出电路图4、开始设计电路的版图5、修改版图，使之通过DRC验证6、优化版图使面积合理、美观六、实验结果面积：120*180=22680（um）七、实验心得第二次做版图设计，相较上次的实习难度提升了些许，最关键的是即将步入工作的我们重拾了那些被淡化和遗忘的知识，重新刷新脑子，和团队紧密合作，细致的分工，相互的监督和检验，我们一步步的完成脑中的想法，在有限的时间内完成老师的作业，这让我们感觉就是在工作间里。
然而每一步的前进总是让我们明白我们的不足和问题，知识的模糊，对版图设计的有限了解，粗糙的设计，迟钝的软件操作，这些都让我们反思了很久也想了很多，无论如何，经过了再一次的版图设计，我还是能够感到自己的进步，无论是对知识的理解还是对学习知识的渴求，而后者让我感到格外珍贵。
两级运算放大器设计文档-20150116
点，使补偿后的运放只有一个极点。这就要求：
fZ
1
2
CC
(
g
m
1 6
RZ
)
gm6
2 CL
RZ
CC CL gm6 CC
(b) 消去零点。即将零点移至无穷远处。这就要求
gm6Rz 1
(c) 将零点移到左半平面略大于 GBW 的位置。一般为 1.2 倍 GBW 处（why？）， 原因：1,2GBW 处的零点既不影响幅度特性，又能很好地贡献相位裕度。
=
������������ ������������
=
������������1 2������������������
=
������������1 ������������1
������������1
1 2������������������
（5）
B 相位补偿分析：
如图 1 电路，加入一个与 Cc 的串联电阻之后，电路的零点变为：
第六章 仿真
6.1 直流增益、带宽和相位裕度
结果说明
A1 A2 增益 3dB带宽 增益带宽积 相位裕度
16.64 20.8 50.8dB 4.2MHZ 1.88GHZ 62deg
仿真结果图示
6.2 偏置电路设计：
注：此电路没有做输入偏置，后续工作应做一个 342mv 的偏置供输入。
放大器 symbol 测试
W 502.392u 502.392u 155.416u 155.416u 342.083u 104.154u 849.32u 306.99u
5.4 计算&仿真参数
DC参数 Vout Vp Vgs1 Vgs2 id1 id2
三极管两级放大器设计.doc
方案分析：两级放大的参数选取能在不失真的情况下尽可能的放大小信号，所以，两级放大的参数极为重要。
电路分析：图 4-1 三极管两级放大器Ib 1V cc U BE1 U BE1R6；I c1 I b1 , I e1 (1 ) I b 1；R2 (1 )( R5 R6) R3 R5静态工作点：由公式Uce1VccIc1R4Ie1(R5R6)；可求出Q1的静态工作点，即Ube1等于 7V，由于 Q1和 Q2间是电容耦合，所以两个晶体管的静态工作点不相互影响，由公式VccUbe2Ib 2R7(1)( R10 Q2 的静态工作点电容相当于短路，Ube2R11 ) R8 R10 R11Ic2Ib 2, Ie 2(1 ) Ib 2；Uce2VccIc 2R9Ie 2(R10R11)可算出Ube2 为 6V。
图中的电容C2， C4， C6 均为滤波电容，画出微变等效电路，图 4-2微变等效电路U o R4 (R9 // R L )Ar be1 R5?R10所以电容C9 和 C10的作用就提高放大倍数，U i r be2 ，如果电路接入 RL，则放大倍数会减小。
Multisim仿真：仿真图：图 4-3两级放大nultisim仿真图 4-4 5mV 1kHz函数发生器图4-5交流电流表图 4-6 Ic1电流值图4-7 Uce1电压值图 4-8 Ic2电流值图4-9Uce2电压值图 4-10无负载的输出电压Uo图4-11有负载的输出电压Uo 无负载的放大倍数：328 倍有负载的放大倍数：197 倍。
三极管两级放大器设计
方案分析：
两级放大的参数选取能在不失真的情况下尽可能的放大小信号，所以，两级放大的参数极为重要。
电路分析：
图4-1 三极管两级放大器
静态工作点：由公式653165211))(1(R R R U R R R U V I BE BE cc b ++-+++-=β；1111)1(,b e b c I I I I ββ+==；)(651411R R I R I V U e c cc ce +--= ；可求出Q1的静态工作点，即Ube1等于7V ，由于Q1和Q2间是电容耦合，所以两个晶体管的静态工作点不相互影响，由公式1110821110722))(1(R R R U R R R U V I be be cc b ++-+++-=β2222)1(,b e b c I I I I ββ+==；)(11102922R R I R I V U e c cc ce +--=可算出Q2的静态工作点Ube2为6V 。
图中的电容C2，C4，C6均为滤波电容，画出微变等效电路，电容相当于短路，
图4-2 微变等效电路
所以电容C9和C10的作用就提高放大倍数，
1029514)//(R r R R R r R U U A be L be i o +∙+==
ββ，如果电
路接入RL ，则放大倍数会减小。
Multisim仿真：
仿真图：
图4-3 两级放大nultisim仿真
图4-4 5mV 1kHz 函数发生器图4-5 交流电流表
图4-6 Ic1电流值图4-7 Uce1电压值
图4-8 Ic2电流值图4-9 Uce2电压值
图4-10 无负载的输出电压Uo 图4-11 有负载的输出电压Uo 无负载的放大倍数：328倍有负载的放大倍数：197倍。
两级放大电路的设计_17页PPT
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢你ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ阅读
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
两级CMOS运算放大器设计
从CC和GB的表达式来确定输入晶体管的跨导，可以用下面方程来计算跨导gm2
gm2 GB CC
从而可直接求得输入晶体管M2的宽长比
W L2
gm22 K2` I5
西安电子科技大学
两级CMOS运算放大器的设计步骤（3）
下面利用共模电压范围（低电平）计算M5的饱和电压：
VDS5 Vin(min)I51VT1(max) 若VDS5＜100mV，则可能会使(W/L)5过大，这是不可接受的。若VDS5＜0V，则 说明所确定的共模范围CMR的技术规范太严了。为此，我们可以减小I5或增加 (W/L)1。注意，应考虑条件改变后对前面设计步骤的影呐。这样反复迭代，直 到获得满意的结果。由求得的VDS5及(W/L)5为
↓1/2
↑1/2
↑
L
W/L
↑
↑1/2
M7 补偿电容 CC
L
↑
增大GB
↑1/2
↑1/2
↓
增大RHP零点
↑1/2
↑1/2
↓
增大SR
↑
↓
增大 CL
↑
在完成以上计算和设计后，可以采用Spice仿真软件进行仿真验证。
西安电子科技大学
四、两级运放的仿真和测试
仿真是对设计的细化和验证，对精度的提高，对 性能的优化，是一个主次逼近理想值的过程。
运放平衡时有：I5=I6=I7，因此可得：
W L7
WL5
I6 I5
最后检查运放的总增益和运放功耗：
AV I522g3m 2Ig6m 667
如果增益太低，许多参数还可再做调整。
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运放的性能与器件、电流之间的关系
漏极电流
M1和M2 M3和M4 M6
项目三绘制两级放大电路原理图
霍山县高级职业中学Huo shan county senior vocational middle school《电子EDA 技术》项目三绘制两级放大电路原理图霍山县高级职业中学项目引入一个完整的电路板设计包括原理图设计和PCB设计两个阶段，电路板设计的第一个阶段是原理图设计，它是在DXP 2004原理图编辑器中完成的。
如下图所示是两级放大电路的电路图。
它是怎样画出来的呢？霍山县高级职业中学项目目标1. 了解工作面板的基本使用；2. 掌握原理图设计的步骤，原理图纸的设置方法；3. 熟悉原理图编辑环境；4. 能创建一个电路原理图，并能添加元件库；5. 能放置元件修改设置元件属性；6. 能放置导线并连接电路。
通过本项目的学习，希望同学们能掌握以下技能：山县高级职业中学1.电路原理图设计步骤启动DXP 2004原理图编辑器设置电路图纸参数及有关信息在图纸上放置设计所需的元器件对已放置的元器件进行布局、布线对布局布线后的元器件进行调整、检测修改保存已设计好的电路原理图保存和打印电路原理图山县2.工作面板介绍高级职业中学Project工作面板元件库工作面板Files工作面板山县3.原理图设计工具栏高级职业中学标准工具栏配线工具栏山县高选择【设计】/【文档选项】，可打开【文档选项】对话框。
级职业中学山县高级职业中学1.设置图纸大小选择【设计】/【文档选项】/【图纸选项】。
标准图纸纸型选择自定义图纸大小选择山县高级职业中学2.设置图纸方向和标题栏【Landscape】：图纸水平方向（横向）。
【Portrait】：图纸垂直方向（纵向）。
【Standard】：标准型模式。
【ANSI】：美国国家标准协会模式。
图纸方向设置标题栏模式设置选择【设计】/【文档选项】/【图纸选项】。
山县高级职业中学3.设置图纸的颜色选择【设计】/【文档选项】/【图纸选项】。
选择颜色有三种设置方法：【基本】【标准】【自定义】山县高级职业中学1.元器件库的装载执行【设计】/【浏览元件库】命令，打开【元件库】面板。
两级CMOS运算放大器的前仿-版图及后仿
的前仿图形 （dc=0V）
图23
1 CM RR
的后仿图形 （dc=0V2）3
两级CMOS运算放大器的后仿
图24
1 PSRR
和1 PSRR
前仿图形（dc=0V）
24
两级CMOS运算放大器的后仿
图25
1 PSRR
和1 PSRR
后仿图形（dc=0V）
25
两级CMOS运算放大器的后仿
表4 设计要求、Cadence前仿结果、HSPICE仿真结果
参数 设计要求 Cadence前仿结果 HSPICE前仿结果 HSPICE后仿结果
ICMR 1V~2V
1 V2.4 V
0 .9 9 7 V2 .3 8 V 0 .9 9 7 V2 .3 5 V
V out
2V
2 .0 4 7 V2 .0 9 V 2 .4 4 V2 .4 2 V 2 .4 7 V2 .4 2 V
• 为了拓宽3 dB带宽，应该使用调零电阻补偿 。 • 软件的使用方法，版图的设计规则，某些程序
的语法。
27
心得体会
• 仿真可以对理论计算进行很好的验证。 • 实训中存在很多问题，需要进一步学习。 • 实训可以检验自己的不足，丰富自己的
实际经验。
28Biblioteka 谢谢！29感谢您的阅读收藏，谢谢！
两级CMOS运算放大器的 设计
1
两级CMOS运算放大器的设计
• 两级CMOS运算放大器的前仿 • 两级CMOS运算放大器的版图 • 两级CMOS运算放大器的后仿 • 存在的问题 • 心得体会
2
两级CMOS运算放大器的前仿
表1 设计要求
VDD C L
V o u t ICMR S R
2两级放大电路原理图的绘制
新课教学（2）保存项目;执行菜单命令[File］/［Save Project]，在弹出的对话框中，选择保存路径，在文件名栏中键入“放大电路”，文件类型为Project file(＊。
prjpcb），单击“保存"即可（3）关闭项目；执行【文件】--【关闭】即可.（4）新建原理图文件,执行【文件】--【创建】--【原理图】菜单命令；或用鼠标选中项目名称，在右键快捷菜单中执行【追加新文件到项目中】--【原理图Schematic】菜单命令。
表1—1 Protel dxp 文件类型二、自由文件(Freedocuments）1、创建自由文件2、项目中的文件转换为自由文件3、将自由文件添加到项目中三、原理图图纸设置和绘制步骤执行【设计】—-【文档选项.。
.】菜单命令。
1、图纸大小设置2、图纸方向设置3、原理图网格设置4、图纸尺寸单位设置5、文档参数设置绘制步骤见图1-2任务驱动教学法电阻元件Res开头电感元件Inductor电容元件Cap开头变压器Transfer三极管NPN或PNN 开关元件SW二极管Diode 串行接口Connector数码管Dpy开头外接接口Header电解电容Cap Pol 耳机接口Phonejack六、放置元件1、放置元件2、旋转元件：鼠标左键按住元件不放，按空格键一次,转向90度。
3、移动、复制元件。
4、元器件的阵列粘贴。
七、修改元件名称及参数八、原理图工作窗口的显示鼠标拖曳原理图图纸，【PgUp】【PgDn】放大缩小图纸，以方便绘制修改元件.中心位置定位显示，用【Home】键；更新用【End】键。
九、导线的绘制与移动在工具栏中单击按钮，进入绘制导线状态.（快捷键PW）；连接时元件引脚上出现一个红色的十字型光标，表示该点可以具备电气属性，即导线与元件导通。
修改导线属性，如宽度、颜色等，在放置导线时单击【Tab】键即可。
十、导线的节点。
实验题目：二级运放的设计
实验题⽬：⼆级运放的设计实验题⽬：⼆级运放的设计（⽬的）：1. 学习运放中管⼦尺⼨的设计2. 学习运放组成的线性反馈系统的稳定性和频率补偿3. 学会稳定性判据和相位裕度的概念（仪器）仿真软件hspice（原理）（包括主要公式，电路图等）电路图如下：实验内容：1. 设计⼀个运放，使其直流增益≥60dB,单位增益负反馈相位裕度≥450（输出端接1PF 电容负载），电路图结构如下所⽰2. 设计好符合要求的运放后，把图⼀画在实验报告上，并标明W,L,M（管⼦个数）、Iref、Cc 的值Iref =10E-6 Cc= 2E-12M1 M2 M3 M4 L=0.4E-6 W= 1.2E-6 M=2.0M5 M6 M7 M8 L=0.4E-6 W= 1.2E-6 M=1.03. 把VdB（Vout）和VP(Vout)的曲线画在实验报告上，并求出所设计运放的实际单位增益负反馈的相位裕度。
PM=180-130=60M7 M6 M8 Vdd M1 M2 M5 Iref M3 M4 Vin+ Vin- CL=1pF Vout Vdc=2.5 ACc L0 C0 L=1GH C=1GF Vin- Vout VIN 2 (Vin+)注：1. 在⽹表中，可把Cc 放在结点A 与Vout 之间。
若需补偿右半平⾯零点时，可加电阻R 与Cc 串联。
2. ⽹表中Vdd，C0，L0，CL 不能改变值外，其余尺⼨都需⾃⼰设计3. 设计的值Iref≤10uA,Cc≤5PF。
4. M1 和M2 的个数M 为偶数5. M3 和M4 的个数M 为偶数实验⼼得体会：通过实验我学会了学习运放中管⼦尺⼨的设计和运放组成的线性反馈系统的稳定性和频率补偿并且学会稳定性判据和相位裕度的概念。
还了解运算放⼤器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的⼀个完整部分。
各种不同复杂程度的运放被⽤来实现各种功能：从直流偏置的产⽣到⾼速放⼤或滤波。
运算放⼤器的设计可以分为两个较为独⽴的两个步骤：第⼀步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图。
实验一 二级运放
（1）准备 （2）加热被焊件 (1) 准备 ( 图 a): 准备好焊锡丝和烙铁。此时特别 (3) 熔化焊料(图c): 当焊件加热到能熔化焊料的温度 强调的是烙铁头要保持干净。 后将焊丝置于焊点，焊料开始熔化。 (2) 加热焊件 (图 b): 将烙铁接触焊接点，首先要 (4) 移开焊锡 (图 d): 当熔化一定量的焊锡后将焊锡 丝移开。 注意保持烙铁加热焊件各部分，例如印制板上引 (5) 移开烙铁(图e): 当焊锡完全润湿焊点后移开烙 线和焊盘都使之受热。 铁，注意移开烙铁的方向应该是大致45°的方向。
万能板（洞洞其板上布满 标准的IC间距（2.54mm）的圆型独立的焊 盘，看起来整个板子上都是小孔，所以也 俗称为“洞洞板”。相比专业的PCB印刷电 路板，洞洞板具有成本低、使用方便、扩 展灵活等特点。也叫万能电路板，万用板、 实验板
万能板的使用
2．五步焊接法
NE5532引脚图
由原理图画接线图（纸上）
• 1、先画ne5532的引脚图（实物），根据原 理图，按照ne5532的引脚，画出与外部的 接线。 • 2、画出其他部分，如，电源，地线等 • 3、整理原理图，即使接线图符合电路板， 使布线简单、整洁、易焊接等。
实验步骤
• • • • • 1、根据原理图在纸上画出接线图 2、根据万能板的形状、大小调节接线图。 3、在万能板上安装元器件 4、焊接元器件 5、走线：用导线在万能板上根据接线图， 将每个元器件接线。
万能板洞洞板万能板简介一种通用设计的电路板通常其板上布满标准的ic间距254mm的圆型独立的焊盘看起来整个板子上都是小孔所以也俗称为洞洞板
实验一 运算放大器组成的二级 放大电路
2014年4月25
一、原理图
NE5532资料
• 1、实物图
两级运算放大器设计
运算放大器的仿真分析结果如下。
静态工作点：（1）运放的输入失调电压仿真通过仿真运放的直流传输特性是测量其输入失调电压。
运放的电源电压为5V，在开环状态下，其反相端接2.5V直流电压，同相端加从2.45V到2.55V的直流扫描电压，做DC 仿真得到的运放的直流传输特性如图7.19所示，其输入失调电压为3mV，满足了通用运放失调电压的要求。
图7.19 运放的直流传输特性分析（2）运放的共模输入范围运放的共模输入范围是运放的输入输出跟随特性。
运放的电源为5V，运放的反相端和输出相连，构成缓冲器；同相端加直流扫描从0到5V，经仿真得到的运放输入输出跟随特性如图7.20所示，其输入共模电压范围从0.1V到4.6V，满足了设计指标的要求。
图7.20 运放的共模输入范围（3）运放的输出电压摆幅特性运放的输出电压摆幅特性是仿真运放的输出电压最大值和最小值。
运放的输出电压摆幅特性仿真电路如图7.21所示，其反相比例放大器增益为10。
Vin1M10M+2.5V +5VV out图7.21 运放的输出电压摆幅特性仿真电路正输入端接2.5V的直流电压，V in输入端加从0到5V的直流扫描电压，经仿真得到的运放输出电压摆幅特性见图7.22，运放的输出电压摆幅是从0到5V，满足了运放指标对输出电压摆幅的要求。
图7.22 运放的输出电压摆幅特性（4）运放的小信号相频和幅频特性运放的小信号相频和幅频特性是仿真运放的开环小信号放大倍数及其相位随频率的变化趋势，从而得到运放的相位裕度和单位增益带宽指标，并进一步鉴别运放的放大能力、稳定性和工作带宽。
运放的输出端接2pF的负载电容，电源电压为5V，共模输入电压为2.5V，差模输入幅度为1V的交流信号，即两输入端的输入交流信号相位相反。
做交流小信号分析，可以得到运放的小信号相频和幅频特性如图7.23所示。
从仿真结果可以看出，运放采用RC补偿，在满足单位增益带宽的同时，能很好的调节相位裕度。
二级密勒补偿运算放大器设计(西安邮电大学)
一、二级运放的结构及设计指标计算1.题目：二级密勒补偿运算放大器设计2.小组成员：3.设计思路设计要求在阅读复旦大学设计资料后，对之间学习过的带隙基准电路总结对比，寻找不同的结构的作用。
最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
主要的任务如下：计算相应的设计指标、设计相应参数、绘制cadence核心原理图、绘制Smybol，搭建仿真测试电路、测试并仿真基本指标。
对比仿真结果，优化各项性能最后进行版图绘制，了解并生成版图。
提取参数并进行仿真，对比各项指标。
1.输出级放大电路由M6、M7组成。
M6为共源放大器。
M7为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
M14和Cc构成相位补偿电路。
因为M14工作在线性区，通过m14的直流电流为0，所以M14可等效为一个电阻，m14与电容Cc构成RC密勒补偿2.输出级放大电路由M6、M7组成。
M6为共源放大器。
M7为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
M14和Cc构成相位补偿电路。
因为M14工作在线性区，通过m14的直流电流为0，所以M14可等效为一个电阻，m14与电容Cc构成RC密勒补偿3.偏置电路由M8～M13和RB组成。
M8和M9宽长比相同。
M12与M13相比，源极加入了电阻RB，组成微电流源，产生电流IB。
对称的M11和M12构成共源共栅结构，减小沟道长度调制效应造成的电流误差。
在提供偏置电流的同时，还为M14栅极提供偏置电压。
M1和M2为第一级差分输入跨导级，将差分输入电压转换为差分电流；M3和M4为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压；M6为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流；M7再将此电流信号转换为电压输出。
4.等效电路图5.静态功耗一旦电源电压确定，静态功耗取决于各支路静态电流总和。
考察各路电路，可以知道，此运放的静态功耗为6.单位增益带宽单位增益带宽是运放最重要的指标之一，它定义为当运放增益为1时，所加输入信号的频率，7.共模抑制比共模抑制比的定义为其中Adm是差模增益，Acm是共模增益。
二级CMOS放大器的电路与版图设计
《IC设计实践》报告姓名：潘阿成学号：200881229院系：电子科学与技术学院专业：集成电路设计与集成系统2012年2月25日目录一、设计目标 (1)二、设计平台 (1)三、原理图设计 (1)1、电路结构与工作原理 (1)2、手工计算电路参数 (2)3、仿真、分析与参数调整 (6)4、电路参数仿真结果汇总 (14)四、版图设计 (15)1、版图层次及常用设计规则 (15)2、DRC验证与版图修改 (16)3、LVS验证与版图修改 (17)五、寄生参数提取与后仿真 (117)六、小结 (19)一、设计目标通过使用mentor软件设计一个两级运算放大器，并且使其满足以下指标，如表1所示。
电源电压VDD 5V 共模抑制比CMRR >60dB直流增益Av >60dB 电源抑制比PSRR >60dB 单位增益带宽GB >5MHz 负载电容CL 8pF输入共模范围ICMR 2~4.5V 沟道长L >0.5um输出摆率V out 2~4.8V 功耗P <2mW压摆率SR >10V/us表1 运算放大器设计指标二、设计平台mentor软件及华润上华工艺库0.5um P衬底N阱双多晶硅三层金属混合信号工艺。
三、原理图设计1、电路结构与工作原理电路结构如图1所示。
图1 二级运放电路结构该电路的组成与工作原理：图1中有多个电流镜结构，M5的电流在M1与M2组成的差分对中被平分，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。
图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。
2、手工计算电路参数本次实践使用的工艺是华润上华工艺库0.5um P 衬底N 阱双多晶硅三层金属混合信号工艺。
完整word版CMOS二级运算放大器设计
CMOS 级运算放大器设计（东南大学集成电路学院）一.运算放大器概述运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT或FET的电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。
它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二.设计目标1.电路结构最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 1.1所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
图1.1两级运放电路图2.电路描述电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。
M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。
M6提供给M7的工作电流。
M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。
相位补偿电路由M14和Cc构成。
M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc 一起跨接在第二级输入输出之间，构成 RC密勒补偿。
3■设计指标两级运放的相关设计指标如表1。
三.电路设计第一级的电压增益:A l =G mi R, = g m2 (r o2 11 r o4) (3.1)第二级电压增益:A2 = -G m2R^ - g m6 (r o6 H r o7) (3.2) 所以直流开环电压增益:A o — Al A2 ~ —g m2 g m6 (r o2 || r o4 )( r o6 || r o7) (3.3)单位增益带宽:G B WA O f^-gm122 c (3.4)表1两级运放设计指标偏置电流:、2R C g m6 = (W/L)14Y (W 儿)131.2g m1以上公式推导过程简略，具体过程可参考相关专业书籍。
根据这些公式关系,2根据系统失调电压:转换速率:相位补偿:■KP n (W/L)i2R ； J (W/L) (W/L)12 1(3.5)(W/L)3 (W/L)4 1(W/L)5 (W/L)6(W/L)62(W/L)7SR = min *1DS5 1DS7 — 1DS5C cC L(3.6)(3.7)(W/L)6 ((W/L)11 _ g m6 +[(3.8)四.HSPICE 仿真.title test.lib E:\h05mixddst02v231.lib tt vdd vdd 0 5 vss vss 0 0.subckt opamp vn vp out vdd vss m1 2 vn 1 1 mp w=120u l=1u m2 3 vp 1 1 mp w=120u l=1u m3 2 2 vss vss mn w=40u l=1u m4 3 2 VSS vss mn w=40u l=1u m5 1 6 vdd vdd mp w=16u l=1u m6 out 3 vss vss mn w=160u l=1u m7 out 6 vdd vdd mp w=32u l=1u * bias circuit m8 6 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m9 7 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m10 6 7 8 vss mn w=6u l=1u m11 7 7 9 vss mn w=6u l=1u m12 8 9 10 vss mn w=24u l=1u m13 9 9 vss vss mn w=6u l=1u rb 10 vss 6k* miller cc 4 out 1.5 p cl out vss 3pm14 4 7 3 vss mn w=20u l=1u .en dsx1 vn vp out vdd vss opamp x2 vp vpout1 vdd vss opamp x3 out2 vi out2 vdd vss opamp x4 vn vn out3 vdc vss opampx5 vn vn out4 vdd vsc opamp vp vp 0 dc 2.5 ac 1 vn vn 0 dc 2.5 vi vi 0 p ulse(2 3 20ns 0.1 ns 0.1 ns 200ns 400ns)根据已经计算好的器件参数,写成电路网表。
二级运算放大器
二级运算放大器设计二级跨导放大器要求Ad>80dB，电源电压2.7倍，GB〉5M，Cl=10pF，SR>10V/us，输出电压摆幅>2V,ICMR:1~2V，CMRR>70dB1.新建工程,绘制电路图2．因为Cc>0.22Cl，且Cl=10pF所以取Cc=3pF所以IdN3>=SR*Cc=25uA，我们取30uA3．因为ICMR：1~2V所以Vin=（1V+2V）/2=1.5V扫描Vth与Vbs的关系，结果为所以VdsatN3=0.6628mV4. 设VA=0.6628V，扫描MN3的宽长比，使IdN3=30uA，扫描结果为所以w=23.95u5．设定MP1的VonP1=0.2V，Vcc=3V，所以MP1的Vg=Vcc-(Von+VthP1)=3V-(0.2V+0.67V)=2.13V。
扫描MP1的宽长比，使IdP1=30uA/2=15uA，扫描结果为所以W=22.08u7. MN1的s端设定为VA=0.6228V,扫描MN1的宽长比，使d端的电压为开始设定的2.13V，扫描结果为所以W=10.95u8．因为Itot<1/2.7=370uA，所以ＩｄＮ４＜３７０ｕＡ－３０ｕＡ＝３４０ｕＡ又因为ｇｍＰ３＞１０ｇｍＮ２，查表可知，ｇｍ／ＩｄＮ≈１４．５，ｇｍ／ＩｄＰ≈１２，所以ＩｄＰ３〉１０＊１４．５＊１５ｕＡ／１２＝１８１．２５ｕＡ，所以选择ＩｄＰ３＝２００ｕＡ。
因为输出摆幅＞２，最大输出电压３－０．２Ｖ＝２．８Ｖ和最小输出电压０．２Ｖ满足条件，所以设静态输出电压为（２．８Ｖ＋０．２Ｖ）／２＝１．５Ｖ扫描ＭＮ４的宽长比，使ＩｄＰ３＝２００ｕＡ，扫描结果为此时Ｗ＝１34.38ｕ９．扫描ＭＰ３的宽长比使输出电压为１．５Ｖ，扫描结果为此时W=224.25u10．各偏置和宽长比设置完后，进行Bias Point，结果为符合要求11．进行AC sweep扫描电路的放大倍数，结果为Ad=77.618dB<80dB，不符合条件，需要进行修改12．因为Ad=gm*r0，所以尝试使MN4、MP3的L=2u，查表得此时的gm/IdP=10.3 所以IdP3>10*14.5*15uA/10.3=211.165uA，又因为IdN4<340uA所以取IdP3=250uA静态输出电压不变，扫描MN4、MP3的宽长比，得到的结果为MN4的宽w=233.65uMP3的宽w=463.55uBias Point 的结果为符合要求13．进行AC sweep扫描电路的放大倍数，结果为Ad=80.023dB 刚好达到要求同时扫描放大倍数和相位图，结果为GB=9.3935M满足条件，PM=53.485不满足条件PM>60 所以修改Cl=4pF，此时Bias Point 仿真结果为AC sweep仿真结果为Ad=80.023dB,GB=7.4989M,PM=61.5满足条件14.将输入电压变为共模输入电压进行AC Sweep 扫描结果为所以Ac=-5.147dB所以CMRR=Ad/Ac=80.023dB-（-5.147dB）=85.17dB 15.改变输入电压进行DC Sweep，扫描输出电压摆幅，结果为输出摆幅大于2V。
实验5_cadence_两级运放设计
实验5 Cade nee 模拟电路仿真1、电路图的输入利用我们Hspice 学习的最后一个两级运算放大器的设计中的电路。
* Target specification ; * CL = 4pF, Av>4000, * GB=2MHz* 1 < CMR < 4,0.8 < Vout < 4.2 *SR = 2 V/us , Pdiss < 10mW , * w ith 0.5um UMC processMI6*Two stage OP designJib ,T 9905spice,moder r mos_tt.option post nomod.TEMP 27* Netlist informationM1 3 1 50 nmos L=2u W=8u AS=18p AD=18p+ PS=18u PD=18uM24250 nmos L=2u W=8u AS=18p AD=18p+ PS=18u PD=18u M3 3 3 vdd vdd pmos L=10u W=10u AS=12p AD=12p PS=16u PD=16uM4 4 3 vdd vdd pmos L=10u W=10u AS=12p AD=12p PS=16u PD=16u M5 5 vbias vss vss nmos L=2u W=7u AS=49p AD=49p PS=26u PD=26uM6 vout 4 vdd vdd pmos L=2u W=70u AS=49Qp AD=490p PS=150u PD=150u M7 vout vbias vss vss nmos L-2u W=130u AS=930p AD=930p + PS=260u PD=260uM8 vbias vbias vss vss nmos L=2u W=7u AS=49p AD=49p PS=26u PD=26u* Feedback CAP Cc vout 4 0T 44pF Cl vout 0 4pF Ibias vdd vbias 3.8u * Voltage sourses vdd vdd 0 5v vss vss 0 Ov vdd1 - M1 M2r^ - 2|5M8 f -------- ---------------- < -------H Vbias H M5vin2 2 0 2.5v vin1 1 ODC 2+5v AC 1 *.OP* AC Analysis function .ac dec 10 10 100MEG .probe ac vdb(vout)+ vp(vout) vdb(4)vp(4) .meas ac Uriit_gain + when vdb(vout)=0 .meas ac phase_mar + FIND vp(vout) when vdb(vout)=0* Transient analysis sectionM1 3 vout 5 0 nmos L=2u W=8u AS=18p AD=18p PS=18u PD=18u vin2 2 0 pulse(0v 5v 1n 1p 1p 600n 1200n) .tran 5n 2u对该运放的电路进行输入，仿真模型利用 Oban 中提供的模型文件。
二级运算放大电路版图设计
目录1前言12二级运算放大器电路 1电路结构 1设计指标 23 Cadence仿真软件 3schematic原理图绘制 3#生成测试电路3电路的仿真与分析4直流仿真 4交流仿真 4版图绘制5差分对版图设计6电流源版图设计 7负载MOS管版图设计 7.DRC & LVS版图验证 8DRC验证 8LVS验证 8 4结论 95参考文献 9摘要本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计。
以传统的二级运算放大器为例，在ADE电路仿真中实现工艺，输入直流电源为5v，直流电流源范围27~50uA,根据电路知识，设置各个MOS管合适的宽长比，调节弥勒电容的大小，进入stectre仿真使运放增益达到40db，截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60。
版图设计要求DRC验证0错误，LVS验证使电路图与提取的版图相匹配，观看输出报告，要求验证比对结果一一对应。
关键词：cadence仿真，设计指标，版图验证。
AbstractIn this paper, the circuit simulation and layout design of two stage operational amplifier are briefly described by using cadence software. In the traditional two stage operational amplifier as an example, the realization of technology in ADE circuit simulation, the input DC power supply 5V DC current source 27~50uA, according to the circuit knowledge, set up each MOS tube suitable ratio of width and length, the size of the capacitor into the regulation of Maitreya, the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB, the cut-off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60.. The layout design requires DRC to verify 0 errors, and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout, viewing the output report, and requiring verification to verify the comparison results one by one.Key words: cadence simulation, design index, layout verification.1前言近几年来，人们已投入很大力量研究版图设计自动化，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。
两级运放设计实例ppt课件
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
偏置电路
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
频率特性和相位补偿
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频率特性和相位补偿
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
确定M5，M7
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
偏置部分与频率补偿
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偏置部分与频率补偿
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
偏置部分与频率补偿
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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1前言12二级运算放大器电路 12.1电路结构 12.2设计指标 23 Cadence仿真软件 33.1 schematic原理图绘制 33.2 生成测试电路 33.3 电路的仿真与分析 43.1.1直流仿真 43.1.2交流仿真 43.4 版图绘制 53.4.1差分对版图设计 63.4.2电流源版图设计 73.4.3负载MOS管版图设计 73.5 DRC & LVS版图验证 83.5.1 DRC验证 83.5.2 LVS验证 8 4结论 95参考文献 9本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计。
以传统的二级运算放大器为例，在ADE电路仿真中实现0.16umCMOS工艺，输入直流电源为5v，直流电流源范围27~50uA,根据电路知识，设置各个MOS管合适的宽长比，调节弥勒电容的大小，进入stectre仿真使运放增益达到40db，截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60。
版图设计要求DRC验证0错误，LVS验证使电路图与提取的版图相匹配，观看输出报告，要求验证比对结果一一对应。
关键词：cadence仿真，设计指标，版图验证。
AbstractIn this paper, the circuit simulation and layout design of two stage operational amplifier are briefly described by using cadence software. In the traditional two stage operational amplifier as an example, the realization of 0.16umCMOS technology in ADE circuit simulation, the input DC power supply 5V DC current source 27~50uA, according to the circuit knowledge, set up each MOS tube suitable ratio of width and length, the size of the capacitor into the regulation of Maitreya, the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB, the cut-off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60.. The layout design requires DRC to verify 0 errors, and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout, viewing the output report, and requiring verification to verify the comparison results one by one.Key words: cadence simulation, design index, layout verification.1前言近几年来，人们已投入很大力量研究版图设计自动化，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。
希望用以代替设计师的一部分劳动。
但这并不适用于模拟电路设计。
较复杂的场合，有些程序的应用遇到了阻力，需要人工干预帮助解决问题。
因此，仔细研究模拟电路的设计过程，熟悉那些提高设计效率、增加设计成功机会的原则是非常必要的。
人工设计得到的器件版图密度一般高于用自动化版图设计和布线程序所得到的密度，因而人机交互式版图设计和布线程序得到了广泛的应用。
我们这次做的仅是基本方法，对于比较复杂的电路版图设计则不仅需要很多诸如图论在内的数据结构算法的知识应用，而且多年的电路版图设计经验也同样是非常重要的。
2二级运算放大器电路运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。
各种不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。
运算放大器的设计可以分为两个较为独立的两个步骤。
第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图。
一般来说，决定好了电路结构以后，便不会更改了，除非有些性能要求必须通过改变电路结构来实现。
为了满足运放的交流和直流要求，所有管子都应被设计出合适的尺寸。
然后在手工计算的基础上，运用计算机模拟电路可以极大的方便对电路进行调试和修改。
2.1 电路结构传统的二级运算放大电路的结构主要包括四部分：第一级输入级放大电路，第二级放大电路，偏置电路和相位补偿电路。
电路图如图2.1所示。
图2.1 二级运算放大器电路2.2 设计指标表1.1 二级运算放大器设计指标 （1）电压放大倍数二级运算放大器相比于共源共栅运放最大的优势就是既能提供高增益，又能提供打的摆幅。
根据电路知识，我们可求得第一级和第二级增益，而电路的整体增益是两部分增益相乘的结果。
由此可知，二级运算放大器可以提供高的增益。
)()(27666766242514211λλλλ+-=+-=+-=+-=I g g g g A I g g g g A m ds ds m V m ds ds m V 第二级增益：第一级增益： （2）单位增益带宽（GWB ）单位增益带宽是指运放增益为1时，电路所输入信号的频率，这是电路所能正常工作的最大频率，它是运放重要的指标之一，其中角频率的表示方法如下：Cc GB m 1g =单位增益带宽： （3）相位裕度电路有至少四个极点和两个零点，假定 z2、p3、p4 以及其它寄生极点都远大于 GBW ，若不考虑零点z1，仅考虑第二极点p2，那么这是一个典型的两极点决定的系统。
为保证系统稳定，通常要求有 63°左右的相位裕度，即保持频率阶跃响应的最大平坦度以及较短的时间响应。
但在考虑 z1之后， 这个右半平面 （RHP ） 的零点在相位域上相当于左半平面 （LHP ）的极点，所以相位裕度会得到恶化。
同时如果为了将两个极点分离程度增大，则补偿电容Cc 就要增大，这也会使得零点减小，进一步牺牲相位裕度。
（4）最终设计参数：m1 pmos w=32u l=1.6um2 pmos w=32u l=1.6um3 nmos w=4u l=1.6um4 nmos w=4u l=1.6um5 pmos w=32u l=1.6um6 pmos w=32u l=1.6um7 pmos w=20u l=1.6um8 nmos w=8u l=1.6uC 0.15PFR1 0.1k直流电源 5v交流电压源 1v静态电压源 2.5v直流电流源 35uA3 cadence软件仿真3.1 schematic原理图绘制根据上述设计好的指标，在schemetic中绘制电路图，其中一点值得注意的是这里所用到的MOS管宽长都比较大，所以采用将各个管拆分成多个管并联的方式进行电路图绘制，这样还能减少栅极上的寄生电阻。
电路图检测没有错误后，然后生成符号，如图 3.2所示。
图3.1 二级运算放大电路schematic原理图图3.2 二级运算放大器生成符号3.2 生成测试电路仿真的电路图连接方式有两种，一种是利用上述电路检查并保存后建立symbol模型，在此模型的基础上进行直流电源，直流电流源以及交流源的连接如图。
另一种可以直接在电路图的基础上添加激励源然后进行仿真；两种连接方式如下图。
图3.3 二级运算放大电路生成测试图（1）图3.4 二级运算放大电路生成测（2）3.3 电路的仿真与分析对于模拟设计环境ADE 来说，默认的仿真器是 spectre ，这里直接采用 spectre 对设计进行仿真和分析。
3.3.1直流仿真为了让运放正常工作，保证8个MOS 管工作饱和区，要求VTH VGS VDS ->，同时过驱动电压不能太大，否则沟道长度调制效应明显，而且输出摆幅受到限制。
其仿真报告如下：图3.5 直流仿真 图3.6 仿真报告 通过一一验证检查，报告结果显示8个管子均处于饱和状态，这说明二级运算放大器可以正常放大工作，在此基础上接下来可以进行交流仿真的工作。
3.3.2交流仿真根据增益的基本公式inout v V V A =，要想观察二级运放的增益特性曲线，我们可以使输入交流电压为1V ，通过交流仿真得到输出电压与频率的关系曲线，那么该曲线就是我们想 要的增益特性曲线。
图像如图所示：图3.7为二级运算放大器的增益仿真，运放增益达到40db ，截止频率接近80MHz ，这一结果符合题目要求。
图3.8为二级运算放大器的相位仿真，通常相位裕度达到60度时，电路比较稳定，由于各种原因，本次实验结果中显示在频率接近80MHz ，相位并未 达到60度。
图3.7 增益仿真图3.8 相位仿真3.4 版图绘制在二级运算放大器中，我们要求输出差分对管m1和m2对称，电流源m5、m6和m7对称，有源负载m3和m4对称，其中的电阻和电容不要求对称性，而且对电容的上下极板的接法没有要求。
图3.9是二级运算放大器的整体版图设计，因为考虑到LVS验证并不比对各个MOS管的宽长比，所以本次版图每个MOS管的宽长比并没有与电路图MOS管一一对应。
本次版图设计我们主要考虑的是MOS管的对称性，所以对各个部分的MOS管的对称问题上进行了详细的说明。
图3.9 二级运算放大器版图绘制3.4.1差分对版图设计设计规则：（1）为了保证差分对管m1和m2的对称性，采用共质心设计将m1拆分成m1a和m1b，将m2拆分成m2a和m2b，交叉放置。
（2）如果输入管宽长比较大，将m1a、m1b、m2a和m2b管拆分成多个管并联的方式，还能减少栅极上的寄生电阻。
（3）差分对管m1和m2为PMOS管，为保证两个管良好的对称性，最后在周围布上一圈N阱接触。
（4）为提高差分对管m1和m2结构的匹配性，差分对管端的连线尽量在m1和m2之间通过。
（5）为了保证运算放大器的对称性，运算放大器中所有晶体管的栅极都要朝着同一个方向。
（6）输入引线一定要尽量短，而且尽量用最上级层金属设计，且输入输出引线尽量远离尽量不要交叉。
图3.10 差分对版图设计3.4.2电流源版图设计二级运放电器的电流源由m5、m6和去m7构成，由于一般电流源要求几个MOS管之间的对称，因此一般采用叉指结构实现，假设电流源m6、m5和去m7 的宽长的比例为1:2:4，将3个MOS拆分，也是重点考虑m5和m7管的对称性的高优先级，将m5和m7管利用叉指结构方式设计，属于高度对称版图设计。