Bi-CMOS集成运算放大器的电路分析及版图设计毕业论文

论文题目: Bi-CMOS集成运算放大器的电路分析及版图设计
摘要
集成运算放大器是一种重要电子元器件，在电子产品中得到广泛应用,可作为误差放大器、比较器、滤波器等。

理想的放大器应该无噪声、具有无穷大增益和输入阻抗、无穷小输出阻抗以及零失调电压等。

在这篇论文中，我本文主要研究了运算放大器电路的工作原理和版图设计，同时还了简要解了Bi-CMOS工艺步骤。

运算放大器电路主要包括输入级、偏置电路、中间级和输出级，输入信号加载到输入级并在合适的偏置下通过输出级得到放大信号。

版图设计主要是熟悉设计规则，布局布线合理美观，并要进行DRC验证和LVS 验证。

Bi-CMOS工艺可满足现代大规模集成电路对器件性能的要求，特别适用于高压和大电流的功率电路，在今后的高性能集成电路中有很大的发展潜力。

通过本次毕业设计，我完成了一个增益为86dB,输出共模范围为3.5V，失调电压为6.5mV，摆率较小的放大器电路设计。

绘制出了放大器的版图，并且通过了进行DRC验证和LVS验证。

关键词：放大器,电路,版图,工艺
Subject: Analysis and layout design of CMOS integrated OP
Abstract
Integrated operational amplifier is an important electronic components, it is used in electronic applications is very extensive currently, for example, it can be used as amplifiers, comparators, filters, etc. The ideal amplifier should without noise, has infinite gain and input impedance, infinite output impedance and zero offset voltage.
In this paper, I mainly study the works of the op amp circuit principle and layout design, and also study briefly the solution of the Bi-CMOS process steps. The op amp circuit including the input stage, bias circuit, the middle stage and output stage. The input signal is loaded into the input stage and output stage amplifies the signal in the right bias. Layout design main is familiar with the design rules, the layout wiring reasonable and beautiful, and must carry on the DRC validation and LVS verification. Bi-CMOS technology to meet the requirements of modern LVSI device performance, especially suitable for high voltage and high current power circuit, there is great potential in future high performance integrated circuits.
By the graduation project, I completed a gain of 86dB; the output common-mode range is 3.5V, the offset voltage of 6.5mV, smaller slew rate amplifier circuit design. Map out the territory of the amplifier, and through the DRC verification and LVS verification.
Keywords: Amplifier, Circuit, Layout, Process
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目录
第一章绪论 (1)
1.1 集成运算放大器研究的目的和意义 (1)
1.2 集成运算放大器的发展与前景 (2)
1.3 本文的主要研究内容 (4)
第二章 CMOS运算放大器电路的理论知识 (4)
2.1 集成电路的设计流程 (4)
2.1.1 功能设计阶段 (4)
2.1.2 设计描述和行为级验证 (4)
2.1.3 逻辑综合 (5)
2.1.4 门级验证 (5)
2.1.5 布局和布线 (5)
2.2 CMOS运算放大器电路的特点 (5)
2.2.1 集成电路的特点 (5)
2.2.2 集成运放电路的组成及各部分的作用 (6)
2.3 CMOS运算放大器的设计原理 (7)
2.3.1 集成运放电路基本原理 (7)
2.3.2 集成运放电路主要性能指标 (8)
2.3.3 集成运放电路的设计流程 (10)
2.4 CMOS集成运放电路的设计 (10)
2.4.1 建库 (10)
2.4.2 CMOS集成运放的电路图 (11)
2.4.3 CMOS集成运放的电路图仿真 (12)
2.4.4 CMOS集成运放的参数计算 (17)
第三章 CMOS运算放大器后端设计 (18)
3.1 版图的设计流程 (19)
3.1.1 整体设计 (20)
3.1.2 分层设计 (20)
3.1.3 版图检查 (20)
3.1.4 寄生参数的提取和后仿真 (21)
3.1.5 版图的整体检查 (21)
3.1.6 完成版图 (21)
3.2 编辑版图 (22)
3.2.1 建立版图单元 (22)
3.2.2 建立底层单元 (22)
3.2.3 编辑电路版图 (26)
3.3 版图验证的具体过程 (27)
3.3.1 DRC验证 (28)
3.3.2提取Extract文件 (29)
3.3.3 LVS验证 (31)
第四章 Bi-CMOS工艺 (32)
4.1 Bi-CMOS工艺的结构特点 (32)
4.2 Bi-CMOS工艺的发展与应用 (33)
4.3 Bi-CMOS工艺的分类 (33)
4.3.1 以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺 (33)
4.3.2 以双极型工艺为基础的Bi-CMOS工艺 (34)
4.4 Bi-CMOS工艺的工艺步骤 (34)
第五章总结 (39)
致谢 (41)
参考文献 (42)
附录（DRC验证规则） (43)
第一章绪论
集成运算放大器(Operational Amplifier,缩写为OP)，它是带深度负反馈并由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路，其特点是增益很大（可达60dB-180dB），输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高（60 dB-170dB），失调电压小，温度漂移小，可用于正信号和负信号的输入与输出。

因为其成本低，功能强大，性能好等优点，所以广泛应用于日常生活、工业生产以及高科技等各个方面。

1.1 集成运算放大器研究的目的和意义
集成运算放大器在集成电路中的应用非常广泛，它是由偏置电路、输入级、中间级和输出级组成的高增益模拟集成电路。

理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压等。

集成电路按制造工艺的不同可分为三种：双极型工艺，MOS工艺和Bi-CMOS 工艺。

双极工艺是早期使用的工艺，凭借其高速度、低噪声以及较高的电流驱动能力等方面的优势，发展速度很快，目前主要的应用领域是模拟集成电路和超高速集成电路。

MOS集成电路由于静态功耗很低，电源电压范围较宽、电压输出摆幅宽，而且集成度高，可与TTL电路兼容等优点，所以CMOS工艺使用广泛。

随着集成电路规模的不断扩大，以及模拟集成电路与数字集成电路的工艺的兼容要求，现今的集成电路的主流技术仍然是CMOS技术。

较CMOS工艺，Bi-COMS 工艺的工艺流程相对比较复杂，但是以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺不仅能够很好的保证双极型器件的高性能，而且这种工艺可以制造出高精度的电容和电阻。

因此Bi-CMOS工艺在今后的超大规模集成电路中有不可估量的价值。

一般而言，高精度的集成运放主要应用于测试与测量等精密仪器、汽车电子产品以及工业生产的控制系统等方面；高速集成运算放大器主要用于通信与视频设备以等方面的产品；低电压/低功耗的集成运放主要应用于手机、PDA等便携式电子产品。

通用的集成运算放大器应用最为广泛，大部分需要简单信号的放大或信号的调节等电子系统都可以实用通用的集成运放。

电压型集成运算放大器是一种放大倍数很大的直接耦合放大器，目前在电子市场广泛应用。

当这种集成电路的输入与输出接不同的反馈网络时，可以实现不同功能的电路。

可实现的信号运算有加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算、
对数数运算、反对数运算、平方运算、开方运算等；利用集成运算放大器还可以非常方便的完成对输入信号的放大以及信号的处理，如波形的产生和变换，以及滤波和调制等。

集成运算放大器的种类非常多，可以根据不同的使用场合以及功能要求选择不同类型的集成运算放大器。

随着集成电路的发展，每一代的电子产品在硅晶片上集成越来越多器件，以实现越来越多的功能，集成规模越来越大的模拟电路。

随着数字集成电路的广泛应用，模拟集成电路的应用也会相应增加，实现数据转换和接口的功能。

随着社会的进步和科学技术的发展，人们对每一代新的电子产品的产生和生产都提出了更新和更高的要求，因此，需要人们不断努力，在集成电路的里程中不断创造新的辉煌！
我选择以研究运算放大器作为毕业设计，一方面是想全面利用在大学所学的专业知识做好设计，为大学画上一个圆满的句号；另一方面是想借此机会锻炼自己的工作能力，为以后的工作做好扎实的基础。

1.2 集成运算放大器的发展与前景
最早生产的放大器只能用于直流放大，其交流放大性能很差。

以双极型晶体管为主的放大电路，只能满足较低的性能要求。

随着电子科学技术的发展，出现了大规模集成电路，其性能指标大大提高，甚至接近于理想值。

集成电路的发展十分迅速。

通用的集成运算放大器经历了四代发展更替，同时，发展了应用于特殊需要场合的专用型集成运放，其各项技术指标不断的改进以提高运放的性能。

了解各类集成运放的特点以及它们的各项技术指标，以方便在工作中能够根据所要实现的功能要求正确地选用运算放大器。

下来简单介绍一下集成运放的发展：第一代集成运放基本上运用数字集成电路的制造工艺，另一方面也采用一些如横向PNP管等特殊元件、共模负反馈、小电流恒流源等电路，它们基本上能够达到中等精度的要求。

第二代集成运放的特点是采用有源负载，这样一来可以在不增加放大级的情况下获得较高的开环增益。

两级放大电路使防止自激的校正措施变得比较简单。

同时电路中还有短路保护模块，可以有效防止过电流对电路造成损坏。

第三代集成运放的特点是输入级采用了超β管，使反向饱和电流、功耗等各项参数值下降。

在版图设计方面，输入采用对称设计，使超β管产生的温漂互相抵消，因此在输入失调电压、输入失
调电流、共模抑制比、开环增益和温漂等方面的性能指标都得到很大的改善。

第四代集成运放的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。

输入级采用MOS 场效应晶体管，这样使得输入电阻可达到很高值，同时运用调制和解调技术形成自稳运算放大器，使得输入失调电压和温漂进一步降低。

较之通用型集成运算放大器，专用型集成运放通常在某些单项指标的要求比较高。

例如高精度型集成运放的特点是漂移和噪声很低，并且共模抑制比和开环增益很高，这样在很大程度上减小了集成运放的误差，是电路达到很高的精度要求；低功耗型集成运放的静态功耗比通用型集成运放一般低1～2个数量级，要求的电源电压很低，这样不仅电路的静态功耗低，而且能获得较高的开环差模增益和共模抑制比等，使电路保持良好性能；高阻型集成运放通常利用场效应管组成差分输入级，在带通滤波器以及某些信号源等内阻很高的电路中，需要使用高输入电阻的运算放大器，以减小对被测电路的影响；高压型集成运放的特点是输出电压波动态范围大，电源电压高，因此电路的功耗也很高；高速型集成运放的主要特点是在大信号工作状态下具有很好的频率特性，在A/D和D/A转换器、滤波器、高速采样－保持电路和比较器等电路中，要求集成运放具有较快的转换速率以获得较短的过渡时间来保证电路的精度；大功率型集成运放在提供较高的输出电压的同时，还能提供较大的输出电流，这样在负载上可以得到较大的输出功率。

从市场需求方面来看，全球对集成运算放大器的需求都保持增长的趋势，尤其是在消费方面和通讯设备领域。

有关人士认为通讯系统和网络基础设备的市场已经逐步发展起来，在未来的几年内，这些设备在全球的需求会有很大增长。

而这些应用需求主要是高速，大驱动器，低噪声以及低输入等高性能的集成运放。

”
从实际的应用角度来看，不同的应用系统对集成运放有着不同的性能要求，选择合适的集成运放对于实现系统特定功能的设计非常重要。

对于通信系统、高速测量仪器以及超声波设备等以高速特性为主的系统，集成运放的交流特性至关重要，衡量系统在交流特性方面的主要参数有失真率、信号带宽以及噪声等；对于对速度没有过高的要求却以高精度为主的系统，集成运放的直流特性更为重要，衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、输入偏置电流、开环增益以及共模抑制比等。

近年来消费电子、通讯等应用领域的发展对集成运算放大器的性能指标提出
了更高的要求，低功耗以及良好的匹配特性性能都十分重要。

在诸多因素的推动下，运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。

集成电路外接不同的反馈，可以实现多种功能，例如：用于放大器（如直流放大，交流放大，积分放大和对数放大等）；用于模拟运算（如加法器，减法器，积分器，微分器等）；用于振荡器（如正弦振荡器，多谐振荡器等）；用于有源滤波器（如高通滤波器，低通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等）。

1.3 本文的主要研究内容
在这篇论文中，我总共分为四章内容。

在第一章，我主要介绍了集成运算放大器的发展及其前景。

集成电路经过几十年的发展，现已发展成满足人们需求的高速度，低功耗，高集成度的高性能技术。

在第二章，我主要以运算放大器的电路原理图为中心。

首先介绍了电路图的各部分功能及作用；下来我介绍了运算放大器的主要性能参数；紧接着我介绍了电路图的一些参数仿真结果，在参数方面我主要分析了放大器的放大增益。

在第三章，我主要分析了运算放大器的版图设计。

其中我主要介绍了版图的画法，在Cadence软件中进行版图设计的具体步骤以及需要注意的地方；画完版图后，须进行版图的几何验证即DRC验证以及版图和电路原理图的对应验证即LVS验证。

在第四章，我大概介绍了Bi-COMS工艺。

首先简单介绍了一下双极性工艺，CMOS工艺以及Bi-COMS工艺，并进行了对比，已体现出Bi-COMS工艺的优点。

其次，我简单介绍了Bi-COMS工艺的主要流程。

第二章 CMOS运算放大器电路的理论知识
2.1 集成电路的设计流程
2.1.1 功能设计阶段
设计人员需要根据产品的应用场合，根据一些诸如功能、性能要求、工作环境以及功耗等规格，明确电路设计时的大致方向。

更可进一步确定软件模块及硬件模块该如何划分:哪些功能应该划分到片上系统（SOC）内，通过软件实现其功能;哪些功能可以设计在电路里，通过硬件实现。

2.1.2 设计描述和行为级验证
功能设计完成后，可以依据功能将SOC划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP核。

这个阶段的设计将接影响了SOC 内部的构架及各模块之间的相互联系，还有设计出来产品的稳定性。

决定模块之后，可以用VHDL 或Verilog等硬件描述语言实现各模块的设计。

接着，利用VHDL或Verilog的电路仿真器，对设计进行功能验证（function simulation，或行为验证behavioral simulation）。

2.1.3 逻辑综合
确定硬件的设计描述语言正确后，可以使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合，即将VHDL或Verilog语言编写的行为模型转换为电路模型。

在综合过程中，需要选择合适的逻辑器件库（logic cell library），以作为合成逻辑电路时的参考依据。

硬件语言设计描述文件的编写格式是决定综合工具执行效率的一个重要因素。

逻辑综合后得到门级网表。

2.1.4 门级验证
门级功能验证是寄存器传输级验证。

其主要的内容是要确认经综合后的逻辑电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。

必须提及的是，这个阶段的验证仿真需要考虑门电路的延迟。

2.1.5 布局和布线
布局指将设计好的功能模块合理地摆放在芯片上，规划好它们的位置，其目的是在不影响性能的情况下尽量减小它们的布局面积。

布线则指完成各模块之间互连的连线，其目的是尽量减小连线的长度和环线的面积，使电路的延迟和辐射等干扰达到最小。

2.2 CMOS运算放大器电路的特点
2.2.1 集成电路的特点
集成电路是通过氧化、光刻、扩散、外延、离子注入、金属化等集成工艺，把晶体管，电阻，电容，电感等器件连接在一起集中制作在一小块半导体基片上，构成一个具有一定功能的电路。

按功能可分为模拟集成电路即对模拟信号进行处理的集成电路，数字集成电路即对数字信号进行处理的集成电路和数模混合电路即对数字信号和模拟信号进行处理的集成电路三两大类，其中集成电路运算放大
器在模拟集成电路中应用最广泛，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。

※集成电路的特点：
1．单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。

适合于组成差动电路。

2．阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。

3．大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。

4.在集成电路中，为了不使工艺复杂，尽量采用单一类型的管子，元件种类也要少所以，集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点。

常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替。

※集成运放电路的特点：
1．电路结构与元件参数具有对称性。

由集成工艺制造的元件，参数的精度不高，而且器件受温度的影响比较大，但由于各个元件都做在同一个硅片上，距离近，所以电路的对称性比较好，。

2. 采用复合电路。

由于复合电路的性能比较好，所以大部分放大电路采用复合管，其缺点是制作工艺比较复杂。

3. 有源器件代替无源器件。

在集成电路的制作工艺中，有源器件比无源器件的制作方便，而且面积小，所以常用有源器件代替无源器件。

4. 各级之间采用直接耦合的方式。

在集成电路中，容量大的电容不易制作，而且采用阻容耦合会使得电路的延迟变大，所以集成运算放大器各级之间一般采用直接耦合的方式。

2.2.2 集成运放电路的组成及各部分的作用
※电路组成（如图2.1）
图2.1放大器的组成
※电路各部分的作用
如图2.1所示，集成运算放大器的电路一般由四部分组成：
1.输入级：一般是一个双端输入的差分式放大电路，要求其输入阻抗尽可能大、开环增益大，其对称性可以提供大的共模抑制比，同时还要求静态工作电流小，该级的具体参数将直接影响放大器的主要性能，所以对设计来说相对比较重要。

2.中间级：主要作用是提高集成运算放大器的电压增益，可由一级或多级放大电路组成。

应具有较高的电压增益，同时为了减小对前级的影响，还应具有较高的输入电阻
3.输出级：一般由电压跟随器组成，以降低输出阻抗，提高电路的带载能力，同时要求线性范围宽，非线性失真小等。

4.偏置电路：主要是向集成运放各级放大电路提供合适的偏置电流，以及确定它们的静态工作点。

2.3 CMOS运算放大器的设计原理
2.3.1 集成运放电路基本原理
运算放大器是目前应用非常广泛的一种器件，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路，当外部接入不同信号（线性或者非线性）时，可得到特定关系的输出信号。

当运算放大器工作在线性区的时候，根据电路的不同连接方式，可以形成比例运算电路（包括反比例运算电路、同向比例电路和差分比例电路），加法运算电路，加法运算电路，积分运算电路和微分运算电路等。

一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out ）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

运算放大器一般有两个输入端P u (同相输入端)，N u （反相输入端）和一个输出端O u ，如图2.2所示。

当输入电压加在N u 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O u 端,即输入电压与输出电压的方向恰好相反。

当输入电压加在P u 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P u 和N u 两端分别标明"+"和"-"。

如图2.2所示，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O U =O A (P U -N U )其中，O A 是运放的低频开环增益（如 100dB ，即 100000倍).
图2.2放大器的符号
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。

2.3.2 集成运放电路主要性能指标
1. 输入失调电压IO U
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IO U 。

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 IO U /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IO U 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。

3. 输入失调电流IO I
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 —0.1uA ）。

4. 输入失调电流温漂d IO I /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IO I 的温度系数，其值越小越好。

5. 输入偏置电流B I
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max Id U
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max Ic U
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od A
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od A 与共模电压增益oc A 之比，常用分贝数来表示， KCMR=20lg(od A /oc A ）(dB )。

它是衡量差放输入级的对称程度和运算放。