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 symbol

M2 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol

M3 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbol

M4 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbol

M5 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol

M6 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol 另：图中所使用的电压源为5v

3.2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。偏置电路为运算放大器提供电源电压（VDD）、共模电压（Vcm）以及偏置电流（Ibias），

从而确定运算放大器的直流工作点。输入电压加在运算放大器的两个

输入端之间，大小设置为1V的交流信号，从而使得输出电压的大小

与增益一致，从而减少了设计步骤。

在ADE窗口选择交流仿真，扫描变量为频率，扫描范围为

0.1Hz~1GHz。完成设置后进行仿真。

因为输入交流电压是1V，因此输出端“V out”的电压值等于运算放大器的增益。为了观察幅频特性，需要计算输出端电压的幅值。通过“Mag”，对“V out”进行取幅值的预处理，然后就可以将处理好的仿真结果输出到“Waveform”中观察。得到如下图：

图3.2.2增益的幅频特性

对于运算放大器的幅频特性，除了直接显示幅值以外，更一般的是显示增益幅值的dB曲线，即对幅值作“20log(n)”变化，得到如下图所示：

图3.2.3增益幅值的dB曲线

对于运算放大器的相频特性，在“Results Browser”中选择“phase”函数对交流仿真结果进行预处理后输出得到。并通过“Append”命令，将相频特性添加到原有的幅频特性中，如图所示：

图3.2.4红色代表“幅频”，蓝色代表“相频”

3.3运算放大器的带宽仿真

这里说的带宽，主要是指运算放大器的小信号带宽。常用的义有两个：3dB带宽和单位增益带宽。仿真原理图如下：

图3.3.1带宽仿真电路图

3.3.1 3dB带宽

定义：Av(w0)=20lgAv(0)-3dB

首先观察增益的幅频特性曲线，并根据3dB带宽的定义测量得到3dB的带宽。在“Waveform”窗口中，将光标移到增益幅频曲线的低频部分，点击快捷键“m”，在曲线上添加标签，给出标记点的横坐标和纵坐标（1.1118Hz，37.24dB）。接着点击快捷键“V”，将光标切换成竖直光标类型，即光标变成一条垂直的直线，并且直线上方有一个红色的倒三角，通过拖动该三角，可以移动垂直光标。

如图3.3.2所示，垂直光标和运算放大器增益幅频曲线的交点的坐标（7.8915MHz，34.27dB）在波形的左上角给出，并随着垂直光标的左右移动实时改变。当增益为34.27dB时，输入信号的频率为

7.8915MHz，因此可以近似认为3dB带宽为7.8915MHz。

图3.3.2增益的幅频特性曲线

精确获得3dB带宽的方法是使用“Calculator”软件中“bandwidth”函数。在“Results Browser”中的“ac-ac”中选择“V out”仿真结果。右键选择“Calculator”。仿真结果被输送到“Calculator”中，选择“bandwidth”函数。输入参数点击“OK”完成“bandwidth”的设置，点击“Eval”键，将在“Calculator”缓存窗口中显示计算的运算放大器的3dB带宽。如下图所示：

图3.3.3 3dB带宽

从图3.3.3中科院看出该运算放大器的3dB带宽为8.256MHz。3.3.2 单位增益带宽

和3dB带宽一样，运算放大器的单位增益带宽也可以用“Calculator”中的“cross”函数计算，该函数是专门用来计算曲线经过一个特定阈值的横坐标。对于计算单位增益带宽，只需要对运放的增益曲线使用“cross”，并将阈值设为“1”，函数返回的值即是运放的单位增益带宽。设置好“cross”函数的参数后点击“Eval”的到：

图3.3.4单位增益带宽

从图 3.3.4可以看出该运算放大器的单位增益带宽约为556.4MHz。

3.4运算放大器的建立时间

建立时间（settling time）是衡量运放反应速度的另一项重要指标，它表示从跳变开始到输出稳定的时间。它主要是针对运算放大器的小信号特性，在跳变过程中，运放还保持线性。

在实际电路设置中，可以通过“Calculator”中的“settling time”函数来测量运算放大器的建立时间。

首先将运放连接成单位增益负反馈的形式，即将运算放大器的反相输入端和输出端短接，从而使得负反馈系统的闭环增益为1，即输入电压跟随加载在运算放大器同相端的输入信号。在运算放大器的同相