运算放大器电路及版图设计报告

目录

摘要 (2)

第一章引言 (3)

第二章基础知识介绍 (4)

2.1 集成电路简介 (4)

2.2 CMOS运算放大器 (4)

2.2.1理想运放的模型 (4)

2.2.2非理想运算放大器 (5)

2.2.3运放的性能指标 (5)

2.3 CMOS运算放大器的常见结构 (6)

2.3.1单级运算放大器 (6)

2.3.2简单差分放大器 (6)

2.3.3折叠式共源共栅(Folded-cascode)放大器 (7)

2.4版图的相关知识 (8)

2.4.1版图介绍 (8)

2.4.2硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系 (8)

2.4.3 Tanner介绍 (9)

第三章电路设计 (10)

3.1总体方案 (10)

3.2各级电路设计 (10)

3.2.1第三级电路设计 (10)

3.2.2第二级电路设计 (11)

3.2.3第一级电路设计 (12)

3.2.4三级运放整体电路图及仿真结果分析 (14)

第四章版图设计 (15)

4.1版图设计的流程 (15)

4.1.1参照所设计的电路图的宽长比，画出各MOS管 (15)

4.1.2 布局 (17)

4.1.3画保护环 (17)

4.1.4画电容 (17)

4.1.5画压焊点 (18)

4.2 整个版图 (19)

第五章 T-Spice仿真 (21)

5.1提取T-Spice文件 (21)

5.2用T-Spice仿真 (24)

5.3仿真结果分析 (26)

第六章总结 (27)

参考文献 (28)

摘要

本次专业综合课程设计的主要内容是设计一个CMOS三级运算跨导放大器，该放大器可根据不同的使用要求，通过开关的开和闭，选择单级、两级、三级组成放大器，以获得不同的增益和带宽。用ORCAD画电路图，设计、计算宽长比，仿真，达到要求的技术指标，逐级进行设计仿真。然后用L-Edit软件根据设计的宽长比画版图，最后通过T-Spice仿真，得到达到性能指标的仿真结果。

设计的主要结果归纳如下：

（1）运算放大器的基本工作原理

（2）电路分析

（3）设计宽长比

（4）画版图

（5）仿真

（6）结果分析

关键词：CMOS运算跨导放大器；差分运放；宽长比；版图设计；T-Spice仿真

第一章引言

众所周知，微电子技术、电力电子技术和计算机技术在相互渗透、相互支撑和相互促进的紧密关系中，均得到了飞速的发展。现代信息社会的支柱——计算机和通讯，其主要硬件设备是集成电路。以集成电路的发展为标志的微电子技术无所不在，己成为现代信息社会的基础。

自从60年代世界上第一块集成电路在美国诞生以来，集成电路技术以惊人的速度发展。第一块集成电路上只有四个晶体管，而目前的集成电路已经可以在一片硅片上集成几千万只晶体管，甚至上亿只晶体管。集成电路的发展经历7小规模IC (SSI)、大规模IC (LSD 、超大规模IC (VLSI)和特大规模(ULSI)的不同阶段，集成电路的性能(高集成度、高速度和低功耗等)迅速提高。集成电路工艺已发展到深亚微米，特征带宽可达到0.18 um，甚至更小。

运算放大器在模拟电路中是个非常重要而且非常复杂的模块。它非常广泛的应用于开关电容滤波器、调解器、整流器、峰探测器、模拟到数字(AID)和数字到模拟(D/A)转换器等模块中。它的性能直接影响着整个电路的动态范围和高频的应用。

本次课程设计从运算放大器结构特点及其工作原理出发，对其各种参数的定义和它们之间相互关系作了详细的阐述。为保证放大器的稳定性，选作单级放大器时，需米勒补偿，作为两级或单级放大时需进行极间补偿。用ORCAD画电路图，并设计合适的宽长比，模拟仿真，使其达到设计要求；根据所设计的宽长比用L-Edit软件进行版图设计，从版图中提取T-Spice 文件；根据版图中提取的参数利用T-Spice软件进行仿真，仿真结果与ORCAD仿真结果进行比较，不满足设计指标，则修改版图，再提取参数，做仿真比较，使其结果满足所设计要求。

第二章基础知识介绍

2.1 集成电路简介

集成电路（integrated circuit），一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

2.2 CMOS运算放大器

从运放的模型出发来分析理想运放和实际的运放的差别，探讨了测量运算放大器的各种性能指标，然后，介绍一下当今比较常见的放大器的结构。

2.2.1理想运放的模型

运算放大器的符号如图一，理想运算

放大器的理想参数为: (1)差模信号的开环

电压增益为无穷大，即 Av=∞ ;(2) 差动 +

输入电阻为无穷大，即Rin=∞; (3)输出 + +

电阻为零，即Rout=0;(4)开环频带宽度为

无穷大; (5)当输入同相端(“+”)与反相

端(“一”)的电压相等时，输出电压Vout=0。 _ _ _

图2.1 运算放大器符号上述条件下，运算放大器的两输入端之间为零端口化，即所谓“虚短”状态。零端口是