全差分CMOS运算放大器的设计说明
一种高增益CMOS全差分运算放大器的设计
邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注一种高增益CMOS 全差分运算放大器的设计Design of a High-gain CMOS Fully Differential Operational Amplifier(江南大学)李杨先顾晓峰浦寿杰LI Yang-xian GU Xiao-feng PU Shou-jie摘要:设计了一种用在高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中的高增益CMOS 全差分运算放大器。
该运算放大器采用了套筒式共源共栅结构和开关电容共模反馈电路。
通过分析和优化电路性能参数,实现了高增益和低功耗。
采用SMIC 0.35μm CMOS 工艺,经Spectre 仿真验证,电路在3.3V 电源电压和2.6pF 负载电容条件下,单位增益带宽为110MHz,开环直流电压增益达76dB,功耗为1.4mW 。
关键词:运算放大器;套筒式共源共栅;高增益;A/D 转换器中图分类号:TN402文献标识码:AAbstract:A high -gain CMOS fully differential operational amplifier has been designed for the application to high -resolution audio Σ-ΔA/D converters.The telescopic cascade structure and the switched capacitor common -mode feedback circuit were adopted in this operational amplifier.High gain and low power dissipation were achieved by analyzing and optimizing the circuit parameters.The Spectre simulation using SMIC 0.35μm CMOS process shows that,with 3.3V power voltage and 2.6pF capacitor load,the circuit has a unity-gain bandwidth of 110MHz,an open-loop gain of 76dB and a power dissipation of 1.4mW.Key words:Operational amplifier;Telescopic cascade;High-gain;A/D converter文章编号:1008-0570(2009)10-2-0207-031引言运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元,广泛应用于数/模与模/数转换器、有源滤波器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。
全差分CMOS运算放大器的设计
全差分CMOS运算放大器的设计CMOS运算放大器的设计报告人：指导老师：二0一三年十一月目录第一章绪论 (4)1.1设计平台及软件介绍 (4)1.1.1PSPICE简介 (4)1.1.2 L-Edit简介 (4)1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介 (4)1.2 设计方法 (5)1.2.1CMOS运算放大器设计方法 (5)1.2.2运算放大器的性能优化 (5)第二章全差分运算放大器基础 (7)2.1 MOS器件基本特性 (7)2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性 (7)2.1.2 MOSFET的小信号模型 (8)2.2运算放大器概述 (9)2.3全差分运算放大器特点 (10)第三章CMOS模拟运放设计 (12)3.1设计目标 (12)3.2电路结构分析 (12)3.3.1 输入级设计 (13)3.3.2电流镜电路 (14)3.3.3偏置电路 (15)3.3.4 输出级 (16)3.3.5 整体电路 (16)第四章运放参数的模拟与测量 (18)4.1瞬态分析 (18)4.2 温度特性 (19)4.3输出阻抗 (20)4.4交流特性分析 (21)5.1版图设计基础 (22)5.1.1设计流程 (22)5.1.2 L-edit中的版图设计 (23)5.2 版图设计 (24)5.3版图参数的提取并仿真 (25)5.3.1版图参数的提取和修改 (25)5.3.2电路仿真 (25)第六章总结 (27)【参考资料】 (28)附录： (29)一、Pspice仿真代码： (29)1、原理层次仿真代码（偏置电压由直流电压直接替代） (29)2、MOS分压电路中MOS宽长比确定电路 (31)3、最终Pspice仿真代码 (31)二、版图生成代码 (33)三、版图修改代码 (36)第一章绪论1.1设计平台及软件介绍1.1.1 PSPICE简介PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。
全差分运算放大器设计说明
全差分运算放大器设计岳生生（6）一、设计指标以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下：✧直流增益： >80dB✧单位增益带宽： >50MHz✧负载电容：＝5pF✧相位裕量： >60度✧增益裕量： >12dB✧差分压摆率： >200V/us✧共模电压： 2.5V (VDD=5V)✧差分输入摆幅： >±4V二、运放结构选择运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。
如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。
如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。
如图1的前级所示。
本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT NV之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS管的,DSAT PV之和也必须小于0.5V 。
对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。
另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。
考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。
两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。
三、性能指标分析1、 差分直流增益 (Adm>80db)该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益1351113571135135753()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g gg gg G A R r rr r g g r r r r=-=-=-+第二级增益92291129911()m o o o m m o o gg G AR r rgg=-=-=-+整个运算放大器的增益：4135912135753911(80)10m m m m overallo o o o m m o o dB g g g gAA A g g g gr r r r ==≥++2、 差分压摆率 （>200V/us ）转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。
cmos差分放大电路设计
cmos差分放大电路设计摘要：1.CMOS 差分放大电路概述2.CMOS 差分放大电路设计原理3.CMOS 差分放大电路的增益4.CMOS 差分放大电路的稳定性5.CMOS 差分放大电路的应用实例正文：一、CMOS 差分放大电路概述CMOS 差分放大电路是一种常见的模拟电路，广泛应用于各种信号处理系统中，如音频放大器、模拟信号处理器等。
与传统的晶体管差分放大电路相比，CMOS 差分放大电路具有更好的输入和输出阻抗，以及更高的电源抑制比。
这使得CMOS 差分放大电路在高性能模拟系统中具有更高的应用价值。
二、CMOS 差分放大电路设计原理CMOS 差分放大电路的设计主要基于差分对原理，即两个输入信号的差值与输出信号成正比。
在电路设计中，需要选用合适的晶体管尺寸和电流值，以实现良好的差分放大性能。
同时，为了保证电路的稳定性，还需要考虑电源电压对电路性能的影响。
三、CMOS 差分放大电路的增益CMOS 差分放大电路的增益主要取决于晶体管的电流放大系数和电路的电阻值。
在设计过程中，需要合理选择晶体管的电流放大系数和电路的电阻值，以实现所需的增益。
此外，增益还可以通过调整晶体管的尺寸和电流值来实现。
四、CMOS 差分放大电路的稳定性CMOS 差分放大电路的稳定性是评价电路性能的重要指标之一。
为了保证电路的稳定性，需要考虑电源电压对电路性能的影响，以及电路中各种元器件的参数对电路稳定性的影响。
在设计过程中，需要进行稳定性分析，以确保电路在实际应用中具有良好的稳定性。
五、CMOS 差分放大电路的应用实例CMOS 差分放大电路广泛应用于各种信号处理系统中，如音频放大器、模拟信号处理器等。
例如，在音频放大器中，CMOS 差分放大电路可以实现音频信号的放大和滤波，从而提高音频信号的质量。
采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算放大器的设计
采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算放大器的设计折叠式共源共栅结构是一种常用于高速CMOS全差分运算放大器设计的电路结构。
它结合了共源和共栅结构的优点，在设计高速差分运算放大器时具有重要的应用价值。
在设计高速CMOS全差分运算放大器时，首先需要确定电路的工作频率和增益要求。
然后，根据设计要求选择合适的MOS管尺寸以及电路拓扑结构。
在采用折叠式共源共栅结构之前，我们先来了解一下共源和共栅结构的特点。
共源结构是一种常见的差分放大器结构，它提供了较大的增益和较高的输入阻抗，但由于电流镜电路(如PMOS电流镜)的引入，使得其增益和频率特性受到限制。
共栅结构是一种常见的高速差分放大器结构，它具有良好的增益和频率特性，但输入阻抗较低。
因此，为了综合考虑增益、频率特性和输入阻抗，我们可以采用折叠式共源共栅结构。
折叠式共源共栅结构的基本原理是将两个共源结构和两个共栅结构连接在一起形成一个差分放大器。
其中，一个共源结构用作输入级，另一个共源结构用作输出级。
同时，一个共栅结构用于提供增益，另一个共栅结构用于提供带宽。
具体来说，折叠式共源共栅结构的输入级包含一个共源结构和一个共栅结构。
其中，共源结构的输入端连接输入信号，输出端通过一个电流源连接到共源结构的源极。
共栅结构通过一个电流源连接到共源结构的源极。
这样，共源结构和共栅结构共同构成输入级。
折叠式共源共栅结构的输出级也包含一个共源结构和一个共栅结构。
其中，共源结构的源极通过一个电流源连接到地，栅极接受输入信号。
共栅结构的源极通过一个电流源连接到共源结构的源极。
这样，共源结构和共栅结构共同构成输出级。
在折叠式共源共栅结构中，输入级的共源结构和共栅结构提供了较大的增益和较高的输入阻抗，输出级的共源结构和共栅结构提供了较大的带宽和较低的输出阻抗。
通过适当选择MOS管的尺寸和电流源的电流，可以实现高速差分运算放大器的设计要求。
综上所述，采用折叠式共源共栅结构可以实现高速CMOS全差分运算放大器的设计。
合肥工业大学 模拟CMOS课设实验报告
实验9 全差分运算放大器设计实验报告一、设计指标基于CSMC 0.5μm标准CMOS工艺设计一个双端输入双端输出的运算放大器：电源电压 5V直流增益 >60dB负载电容 200fF单位增益带宽 >80MHZ输出共模电平 2.5V差分输出摆幅 >±2V差分压摆率>100V/μs二、设计思路（初始参数计算过程）2.1 放大器结构的选取以及直流增益考虑到直流增益的要求只有60dB（1000倍），而且输出摆幅的要求也并不高，出于节省功耗以及运放稳定性方面的考虑，我们可以选择单级的套筒式运算放大器结构，并且采用NMOS管作为输入管，其相对PMOS输入管有跨导更高的优势，有利于提升增益。
结构如图1所示。
值得注意的是，运放有两个尾电流晶体管，其中一个栅极接偏置电压Vbias，另一个栅极被共模反馈（CMFB）的输出所控制，用来稳定输出共模电压。
增益Av的表达式为：Av=gm1Rout=gm1[(gm3ro3ro1)||(gm7ro7r05)]2.2 单位带宽及摆率由于本文设计的是单级运放，主极点在输出端，次极点由晶体管寄生电容产生，电容值很小，因此在我们所关心的频带内，此运放是绝对稳定的，理论上相位变化不会超过90°。
对于这种单极点系统，单位增益带宽（UGB）由低频增益和输出极点的成绩决定：UGB=gm1Rout∙1CLRout=gm1CL代入UGB和CL指标我们可以得到输入对管跨导为：gm1=UGB∙CL=80×106×2π×200×10-15=100μs按照设计要求，摆率SR＞100V/μs，所谓摆率，是指电路对负载电容的最大驱动能力。
在本文设计的单级运放中，摆率是M9和M10构成的尾电流对负载CL 充电快慢的大小，即SR=(ID9+ID10)/CL＞100V/μs从上式可知：ID9+ID10＞20μA，为了留有一定的余量可以取30μA的尾电流大小。
(完整word)全差分高增益、宽带宽CMOS运算跨导放大器的设计
目录1 引言 (1)2 软件介绍 (3)3 运算放大器设计基础 (5)3.1运放的主要性能指标 (5)3.2运算放大器的基本结构 (6)3.2.1全差分运放 (6)3.2.2套筒式结构 (7)3.2.3折叠式结构 (8)4 系统总体设计 (10)4.1电路设计的整体结构 (10)4.2 主放大电路设计 (11)4.3 偏置电路的设计 (13)4.4 输出级的设计 (13)4.5 共模反馈的设计 (14)4.6 总体布局 (15)5 仿真与分析 (17)5.1运放直流与交流特性 (17)5.2噪声特性分析 (19)5.3电源抑制比 (19)5.4设计指标 (20)5.5放大器参数 (21)6 版图设计与分析 (22)6.1 L-Edit介绍 (22)6.2版图设计规则 (22)6.3基本器件版图设计 (23)6.3.1 NMOS版图设计 (23)6.3.2 电容电阻版图设计 (24)6.4版图的总体设计 (26)6.4.1主电路模块版图 (26)6.4.2偏置模块版图 (27)6.4.3输出模块版图 (27)6.4.4整体模块版图 (28)6.5 LVS版图比对 (29)7 结论 (31)谢辞 ................................................................................................... 错误!未定义书签。
参考文献 .. (32)附录1 (33)附录2 (35)1 引言集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多个CMOS管与电容电阻通过耦合方式实现提高增益的模拟集成电路[1]。
集成运放具有增益高、输入阻抗大、输出阻抗低、共模抑制比高和失调与漂移性小等优点，而且当输入电压值为零时，输出值也为零。
集成运放是构成常用集成电路系统的通用模块[2] [3]。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器探究与设计引言：随着科技的不息进步和应用的广泛推广，运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）作为一种重要的模拟电路器件，得到了广泛的关注和应用。
CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术由于其功耗低、集成度高等优势，被广泛应用于运算放大器的探究和设计中。
本文将介绍CMOS高性能运算放大器的探究与设计，主要包括运算放大器的基本原理、运算放大器的基本电路结构、CMOS技术的特点和优势、CMOS高性能运算放大器的设计方法和优化技术等方面。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种特殊的差动放大器，它能够实现电压放大、电流放大、功率放大等功能。
运算放大器有两个输入端，一个非反相输入端和一个反相输入端；有一个输出端和一个电源端，电源端一般有正电源和负电源两个。
在抱负状况下，运算放大器具有无限的增益、无限的输入阻抗和零的输出阻抗。
但实际状况下，由于运算放大器的内部结构等因素的限制，无法完全满足抱负的条件。
因此，在运算放大器的设计中，需要思量如何提高增益、输入阻抗和输出阻抗等性能指标。
二、运算放大器的基本电路结构运算放大器的基本电路结构由差动放大器、电压放大器和输出级组成。
差动放大器用于实现输入信号的差分放大，电压放大器用于实现信号的放大，输出级用于驱动负载电阻。
差动放大器由两个晶体管组成，一个晶体管作为非反相输入端，另一个晶体管作为反相输入端。
通过调整两个晶体管的尺寸比例，可以实现不同的放大倍数。
电压放大器由级联的共源放大器组成，通过逐级放大，实现信号的放大。
输出级由差分放大器和输出级筛选电路组成，通过差分放大器将信号转化为可驱动负载电阻的电流信号，再经过输出级筛选电路，将电流信号转化为电压信号。
三、CMOS技术的特点和优势CMOS技术是一种基于金属-氧化物-半导体（MOS）结构的半导体制造技术。
与传统的bipolar技术相比，CMOS技术具有以下特点和优势：（1）功耗低：CMOS电路在静态状态下几乎不消耗电流，功耗分外低，适合于低功耗应用的场合。
cmos差分放大电路设计
cmos差分放大电路设计一、CMOS差分放大电路简介1.CMOS技术简介CMOS（互补金属氧化物半导体）技术是一种集成电路制造工艺，它具有低功耗、高噪声抑制比、宽工作电压范围等优点。
在现代电子系统中，CMOS 技术得到了广泛的应用。
2.差分放大电路原理差分放大电路是一种模拟电路，它具有抑制共模干扰、放大差模信号的特点。
其基本原理是利用两个输入信号的差值进行放大，从而得到输出信号。
在实际应用中，差分放大电路常用于传感器信号处理、放大微弱信号等场景。
二、CMOS差分放大电路设计方法1.设计流程设计CMOS差分放大电路主要包括以下几个步骤：（1）确定输入输出信号范围和电源电压（2）选择合适的CMOS工艺（3）设计电路拓扑结构（4）电路参数设计（5）电路仿真与优化2.电路参数选择电路参数选择是影响CMOS差分放大电路性能的关键因素。
主要包括：（1）晶体管宽长比（2）源极电阻和负载电阻（3）电容耦合方式（4）输入输出电阻三、CMOS差分放大电路应用1.放大信号应用CMOS差分放大电路广泛应用于各种电子系统中，如音频放大器、图像传感器信号处理等。
通过差分放大电路，可以有效地抑制共模干扰，提高信号传输质量。
2.传感器信号处理CMOS差分放大电路在传感器信号处理领域具有广泛应用。
例如，在生物传感器、光纤传感器等领域，差分放大电路可以有效地放大微弱信号，提高传感器信号的检测灵敏度。
四、设计实例与仿真分析1.实例设计以下为一个简单的CMOS差分放大电路设计实例：（1）选择CMOS工艺：采用0.18μm CMOS工艺（2）确定输入输出信号范围：0-1V（3）设计电路拓扑结构：采用单级差分放大电路（4）电路参数设计：- 晶体管宽长比：10:1- 源极电阻和负载电阻：10kΩ- 电容耦合方式：采用直流耦合- 输入输出电阻：100Ω2.仿真结果分析利用电路仿真软件对设计的CMOS差分放大电路进行仿真。
仿真结果表明，在输入信号为0.5V时，输出信号为0.995V，增益约为1.99。
全差分CMOS运算放大器的设计
全差分CMOS运算放大器的设计全差分CMOS运算放大器（Fully Differential CMOS Operational Amplifier）是一种常用于模拟、混合信号和通信电路中的放大器。
全差分运算放大器结合了差分放大器和普通运算放大器的优点，具有更好的共模抑制、抗干扰能力和更高的增益。
1.设计差动放大器：差动放大器是全差分CMOS运算放大器的核心部分，其一般由两个输入差分对和一个负载电阻组成。
在设计差动放大器时，首先需要确定放大器的增益、带宽和功耗等要求。
然后，选择适当的晶体管尺寸和偏置电流来满足这些要求。
2.设计电流镜：电流镜主要用于稳定差动放大器的工作点。
常用的电流镜电路有P型电流镜和N型电流镜。
在设计电流镜时，需要考虑放大器的输入阻抗、输出阻抗和功耗。
3.设计共模反馈电路：共模反馈电路主要用于提高全差分CMOS运算放大器的共模抑制比。
在设计共模反馈电路时，需要确定合适的电压分压比例和电容值，以及选择合适的晶体管尺寸和偏置电流。
4.偏置电流源设计：5.电源设计：6.输入和输出接口设计：7.稳定性分析和优化：在设计全差分CMOS运算放大器时，还需要进行稳定性分析和优化。
常用的稳定性分析技术有迭代法、校正法和频率响应法。
稳定性优化技术有补偿电容法、极点分布法和增益调整法。
8.仿真和验证：最后，设计完成的全差分CMOS运算放大器需要进行仿真和验证。
常用的仿真和验证工具有SPICE软件、电路仿真器和实验测量仪器。
通过仿真和验证，可以评估放大器的性能和电路的可靠性。
最后，需要注意的是，在进行全差分CMOS运算放大器的设计时，应遵循设计规范和标准，如功耗规范、电压规范和噪声规范，以确保设计的可靠性和一致性。
同时，应密切关注工艺制程、温度变化等因素对电路性能的影响，并进行相应的校准和补偿。
CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计方案(运放的理论性文章)
CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计摘要运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用，如A/D与D/A转换器、有源滤波器、自动增益控制器等，针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。
本文详细介绍了一种可以用在微弱信号测量系统和高保真要求的音频系统中的全差分结构低噪声运放，使用0.18微M的CMOS工艺实现，供电电压是1.8V，根据低噪声的要求选择了合适的结构，在第一级采用PMOS作为输入端的套筒式共源共栅放大电路，第二级使用共源电路，在减少运放内部器件产生的噪声同时，考虑了减少外界的电源串扰噪声影响，完成了主电路的设计，另外为了使差分电路的输出直流电压偏置在理想位置，分析并设计了基于负反馈原理的共模反馈电路。
文章的最后对电路的重要参数如直流增益、相位裕度及输入参考噪声做了比较详细的分析与推导，并在SUN工作站上使用Cadence的模拟设计工具IC5033对电路进行了全面的仿真，仿真的结果显示在1 KHz处的输入参考噪声可以达到6nV币弧左右，这是一个相当好的结果。
关键词：运放低噪声全差分CMOS工艺目录摘要1目录1前言2第一章运算放大器的原理与应用31.1运算放大器的原理31.1.1理想运放31.1.2实际运放51.2全差分运放61.3运放的基本应用71.4低噪声运放的应用8第二章MOS器件工作原理102. 1 MOS器件基础102. 2 MOSFET的闭值电压112. 3 MOSFET的工作区域112. 3. 1线性区112. 3. 2饱和区132. 4二级效应152. 4. 1体效应152. 4. 2沟道长度调制效应162. 4. 3亚阈值效应172. 5 MOS管的小信号模型17第三章CMOS单级放大器193.1反相器193.1.1有源负载反相器193. 1. 2电流源负载反相器203. 2差分放大器203. 2. 1共模输入范围213. 2. 2差分放大器的增益213. 3共源共栅放大器22第四章电路噪声234. 1噪声幅值分布234. 2系统对噪声的影响244. 3器件噪声254. 3. 1电阻的热噪声254. 3. 2 MOS管的沟道热噪声254. 3. 3 MOS管闪烁噪声25第五章全差分低噪声运算放大器的设计255. 1低噪声运算放大器的结构设计255.1.1低噪声运算放大器的整体结构255.1.2主电路的设计265. 1. 3共模反馈电路的设计275. 2运放主要参数的仿真分析285. 2. 1运放的开环增益的仿真与分析285. 2. 2运放频率补偿的仿真与分析295.2.3运放电源纹波抑制比的仿真与分析325.2.4运放噪声的仿真与分析325.2.5运放线性度的仿真与分析335. 2. 6运放速度的仿真与分析345.2.7运放的温度特性35结束语36参考文献36前言运算放大器的本质是一个高增益的放大器，它可能是现代模拟电路中最通用和重要的单元，其地位可以相当于数字电路中的“门”电路，在外部反馈网络的配合下，它的输出与输入电压(或电流)不需要依赖开环关系，而是可以灵活地实现各种特定的函数关系，因此可以对不同的信号进行组合、处理。
快速全差分CMOS 运算放大器的设计
《IC课程设计》报告快速全差分CMOS 运算放大器的设计姓名：学号：班级： 1院系：专业：同组人姓名：李四王二目录1设计目标 (1)2相关背景知识 (1)3设计过程 (2)3.1 电路结构设计 (2)3.1.1 电路结构的选择 (2)3.1.2 折叠式共源共栅 (4)3.1.3 共模反馈电路 (5)3.1.4 偏置电路 (6)3.1.5 频率补偿 (7)4 电路仿真 (7)5 讨论 (9)6 收获和建议 (9)参考文献 (9)1设计目标设计一带宽为500MHz的全差分CMOS运算放大器。
设计指标如下：工作电源电压：3.3V开环增益：≥65 dB单位增益带宽: ≥500MHz相位裕量：≥50 degree差分压摆率: ≥200V /μs负载电容: =2pF差分输出摆幅: ≥±2V谐波失真：≤0.1%静态功耗：尽可能小2相关背景知识科学技术的发展带来了各行各业的改革，各种新型的高科技产品不断被应用到我们生活和生产中。
科技进步同样也带来了电表行业的改革，传统的老式机械表已经不适应现代的生活需求，更先进的数字电表将取而代之。
电表计量芯片是数字电表的核心，它的性能在很大程度上决定了该电表的性能。
而在电表计量芯片中需要将电流、电压信号转换成数字信号以便进行高精度的后续处理，这就需要用到数模转换器（Analog to Digital Converter）。
一个高性能的数模转换器则是先进的电表计量芯片必不可少的。
目前随着大规模集成电路的发展，Sigma -delta 数模转换器（Sigma-delta ADC）得到了迅速的发展并广泛应用于通讯、音频处理和精密测量方面。
在电表计量芯片中也广泛采用这用结构以实现高精度的数模转换。
3设计过程3.1 电路结构设计3.1.1 电路结构的选择根据上表所提供的性能要求，由于普通的单级结构运放无法提供这么大的增益，而三级或更多级结构将带来稳定性的问题，对此我们选择具有两级放大功能的运算放大器。
高增益CMOS全差分运放的研究和设计
ｐｏｓｓｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｅ ｈａｄ ｔｏ ｔａｋｅ ｃａｒｅ ｉｎ ｓｕｃｈ ａｓｐｅｃｔ ａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｍａｔｅｒｉａｌ、ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ．
ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｌｌ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｎｏｗ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｏｍａｉｎｓ ｗｅ ｃａｎ ｍａｋｅ ｂｒｅａｋｏｕｔ．
１．３本文的工作以及文章组织
本文就是对工作在３Ｖ的运放放大电路进行研究，并分析各类 运放的性能指标。按照所提出的性能指标选择电路结构，这里我们 采用的是运算放大电路中的套筒式（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ）结构。通过对其性 能的分析，并进行器件参数上的优化，设计出一个增益在７８ｄＢ， 功耗只有ｌ ５ｒｏＷ的运算放大器单元，基本能够满足了设计的要求， 最后在ＣＡＤＥＮＣＥ上画出版图。
这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参 数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。 在后面的设计中，我们将进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处 理办法。
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
基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计_解读全集成有源滤波器是一种基于CMOS全差分运算放大器的滤波器设计，通过集成电路的方式实现滤波器的功能。
CMOS全差分运算放大器具有低功耗、高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点，适合用于滤波器设计。
在全集成有源滤波器的设计中，首先需要确定滤波器的类型和性能要求，包括截止频率、通带增益、阻带衰减等。
选择合适的滤波器类型可以根据实际应用需求，常见的有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
以设计一个低通滤波器为例，设计流程如下：首先确定滤波器的截止频率。
截止频率是滤波器的特征参数之一，决定了滤波器的频率响应。
根据实际需求选择合适的截止频率。
然后确定滤波器的阶数。
滤波器的阶数决定了滤波器对信号的衰减速度。
一般而言，阶数越高，滤波器的陡峭度越高，但相应的设计复杂度也增加。
根据实际需求选择合适的阶数。
接下来根据截止频率和阶数的要求，可以利用标准滤波器设计方法进行设计。
常用的设计方法有巴特沃斯法、切比雪夫法、椭圆法等。
每种方法的特点和性能各有不同，根据实际需求选择合适的设计方法。
设计完成后，需要根据选择的CMOS全差分运算放大器，进行电路图设计和电路参数计算。
CMOS全差分运算放大器的电路图包括输入级、差动放大级和输出级等。
通过合理的设计和参数选择，实现所需的滤波器增益和频率特性。
最后，进行电路模拟和性能分析。
利用仿真工具对设计的滤波器进行电路模拟和分析，验证滤波器的性能是否符合预期要求。
如果需要，可以进行电路参数的微调和优化。
总结起来，基于CMOS全差分运算放大器的全集成有源滤波器的设计是一个系统性的工程，包括滤波器类型选择、截止频率和阶数的确定、设计方法选择、电路图设计和电路参数计算等。
通过合理的设计和参数选择，可以实现满足实际应用需求的滤波器。
高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器技术研究
高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器技术研究一、本文概述随着现代电子技术的飞速发展，高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器在诸多领域，如通信、医疗、测量和控制系统等，扮演着越来越重要的角色。
这些应用对于运算放大器的性能要求日益提高，不仅需要高精度的放大能力，还要求具备宽带宽的响应特性。
因此，研究CMOS全差分运算放大器的技术，特别是针对高精度、宽带宽的要求，具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在探讨高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的设计技术，分析其关键性能指标，研究其电路结构和工作原理，并探讨其在实际应用中的优化策略。
我们将介绍CMOS全差分运算放大器的基本原理和关键技术指标，如增益、带宽、失真度等。
然后，我们将详细分析高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的电路结构和设计方法，包括差分输入级、增益级、输出级等关键部分的设计考虑。
接着，我们将讨论在实际应用中如何优化这些关键部分，以提高运算放大器的整体性能。
我们将通过实验验证本文提出的设计方法和优化策略的有效性，为高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的实际应用提供参考。
通过本文的研究，我们期望能够为高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的设计提供理论支持和实践指导，推动其在相关领域的应用和发展。
二、CMOS全差分运算放大器的基本原理CMOS全差分运算放大器（Fully Differential CMOS Operational Amplifier, FDCOA）是集成电路设计中的一个关键组件，其基本原理基于差分信号处理和CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的优势。
这种运算放大器采用差分输入和差分输出，以减小共模噪声和失真，提高信号的信噪比和线性度。
在FDCOA中，两个完全对称的输入级分别接收正、负输入信号，它们的输出通过中间级和输出级进行差分放大。
这种结构能够显著抑制偶次谐波失真和共模噪声，使得电路在宽带宽范围内具有高精度和低失真特性。
全差分运算放大器结构框图解析 常见的全差分运算放大器电路分析
全差分运算放大器结构框图解析常见的全差分运算放大器电路分析全差分（运算放大器）就是一种具有差分输入，差分输出结构的运算（放大器）。
（差分放大器）相对于单端输出的放大器具有如下一些优势。
首先，由于随着CMOS 工艺尺寸不断缩小，从0.5μm 减小至0.35μm，0.18μm，90nm，（芯片）的（供电）电压也不断减小从5V降到3.5V，1.8V，1.2V甚至更低。
在如此低的供电电压的情况下，单端输出的运算放大器很难能理想地工作，为了保证电路能够得到足够大的（信号）摆幅，我们需要采用全差分的运算放大器结构。
其次，全差分运算放大器能够有效抑制电路的共模信号，并且能够减小电路的偶次谐波失真。
但是为了得到这些性能，全差分运算放大器需要一个共模反馈环路来控制输出的共模电平。
理想情况下，这个共模反馈控制环路会使得输出的共模电平稳定在VDD/2。
所以，一个全差分放大器通常由主放大器和共模反馈环路两部分组成，它在现代的（电路设计）中应用非常广泛。
1.全差分运算放大器结构框图共模反馈的基本思想就是由一个共模采样电路取得电路的输出共模信号，然后把共模信号与一个参考信号相比较，将比较后的误差信号放大后再输入主放大器以调节输出共模电压。
对于输入的差分信号来说，共模反馈环路不会对交流信号产生影响，相当于说共模环路对于交流是开路的。
所以，电路的差分增益和相位就由主放大器决定。
但是，对于输入的共模信号，共模反馈环路决定了输出的共模电平，这时，共模环路的增益和相位就会对电路的输出共模电平的精度和稳定性产生影响。
全差分放大器在应用中的一种电路形式，差分输出的信号摆幅vO1-vO2 为单端信号vO1(vO2)摆幅的两倍，所以在输出端可以有较大的输出动态范围，相对于单端输出提高了处理信号的幅度能力。
2. 常见的全差分运算放大器电路(a)是普通的全差分放大器电路，通常作为一个放大器的输入级部分。
图7-3(b)是折叠式全差分运算放大器电路，它的增益会比较大，可以达到60~70dB，但同时会消耗比较大的功耗，因为它有四条支路需要（电流）。
cmos运算放大器设计实例 概述及解释说明
cmos运算放大器设计实例概述及解释说明1. 引言1.1 概述本篇文章是关于CMOS运算放大器设计实例的概述与解释说明。
在现代电路设计中，运算放大器被广泛应用于模拟电路和信号处理领域，在各种电子设备和系统中扮演重要角色。
而CMOS（互补金属-氧化物-半导体）技术作为一种主流的集成电路制造工艺，具有低功耗、高可靠性和高集成度等优势，并且适合用于低压低功耗的移动设备和便携式电子产品。
1.2 文章结构本篇文章将分为五个部分进行详细讲解。
首先，在引言部分对文章进行总体概述，介绍了CMOS运算放大器的设计原理以及本文的目的。
接下来，在第二部分将详细介绍CMOS技术、运算放大器基本原理以及CMOS运算放大器的特点。
然后，第三部分将重点讲解CMOS运算放大器设计的步骤，包括整体设计方案确定、差模放大器设计和分析以及单端放大器设计和优化。
在第四部分，我们将给出一个具体的样例电路，并对其进行实现和分析，包括电路图和参数规格说明、差模输入阶段设计和性能分析，以及输出级设计和性能分析。
最后，在第五部分我们将总结实验结果并进行相应的讨论，并提出一些建议用于改进建议。
1.3 目的本文的目的是通过对CMOS运算放大器设计实例的详细解释与说明，帮助读者更好地了解CMOS技术、运算放大器的基本原理以及CMOS运算放大器的特点。
同时，通过具体样例电路的实现和分析，展示CMOS运算放大器设计步骤，并总结出实验结果并进行讨论，从而为读者提供有关CMOS运算放大器设计方面的参考与指导。
2. CMOS运算放大器设计原理：2.1 CMOS技术简介：CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术是一种常用的集成电路制造技术，它采用半导体材料和金属氧化物栅结构。
相比于其他晶体管技术，CMOS具有低功耗、高集成度和抗辐射等优点，在现代电子领域得到广泛应用。
2.2 运算放大器基本原理：运算放大器（Operational Amplifier，简称OA）是一种重要的模拟电路元件，它是差分放大器的一种改进形式。
0.6μmCMOS工艺全差分运算放大器的设计
0.6μmCMOS工艺全差分运算放大器的设计
0 引言
运算放大器是数据采样电路中的关键部分，如流水线模数转换器等。
在
此类设计中，速度和精度是两个重要因素，而这两方面的因素都是由运放的各
种性能来决定的。
本文设计的带共模反馈的两级高增益运算放大器结构分两级，第一级为
套筒式运算放大器，用以达到高增益的目的；第二级采用共源级电路结构，以
增大输出摆幅。
另外还引入了共模反馈以提高共模抑制比。
该方案不仅从理论
上可满足高增益、高共模抑制比的要求，而且通过了软件仿真验证。
结果显示，该结构的直流增益可达到80 dB，相位裕度达到80°，增益带宽为74 MHz。
1 运放结构
通常所用的运算放大器的结构基本有三种，即简单两级运放、折叠共源
共栅和套筒式共源共栅。
其中两级结构有大的输出摆幅，但是频率特性比较差，一般用米勒补偿，可使得相位裕度变小，因而电路的稳定性会变差；套筒式的
共源共栅结构，虽然频率特性较好，又因为它只有两条主支路，所以功耗比较小。
但是这些都是以减小输入范围和输出摆幅为代价的。
因此，为了缓解套筒
式结构对输入电压范围的限制，本文提出了折叠式运算放大器结构的思路。
折
叠式结构比套筒式结构有更大的输入共模电平范围，但却以减小增益和带宽，
增大噪声和功耗为代价的。
考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，因此，本文选择套筒式共源共栅结构作为输入级，最后选择了如1．1 主运放结构
全差分运算放大电路对环境噪声具有更强的抑制能力。
而套筒式结构则。
CMOS全差分跨导运算放大器的建模与设计
CMOS全差分跨导运算放大器的建模与设计傅文渊;凌朝东【摘要】Research of high-speed and high-gain transconductance amplifier with the structure of gain-boost, the mathematical modeling and Matlab simulation is presented for gain-boost operational amplifier. Designed operational amplifier is used in 12 bit 100 M SPSADC, and the optimal design on the auxiliary amplifier bandwidth can be obtained. Simulation results show that gain is 106 dB which increses of 55 dB if an auxiliary operational amplifier is added. Besides, if we the auxiliary operational, dominant pole is greatly reduced and non-dominant pole slightly decreases, but the addition of auxiliary amplifier does not affect the speed of the operational amplifier.%研究带增益自举结构的高速、高增益跨导运算放大器,并对增益自举运放建立数学模型和进行Matlab仿真验证.将设计的运算放大器应用于12 bit 100 M SPS模数转换器(ADC)中,可得到辅助运放的带宽的最佳设计.仿真结果表明:添加辅助运放后,可以达到106 dB的增益,增加了55 dB；添加辅助运放后的主极点较之前大大减小,次主极点略有减小,但辅助运放的添加并不会影响运放使用时的速度.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】4页(P23-26)【关键词】运算放大器;全差分跨导;增益自举;模数转换器;互补金属氧化物半导体【作者】傅文渊;凌朝东【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;厦门市专用集成电路系统重点实验室,福建厦门361008;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;厦门市专用集成电路系统重点实验室,福建厦门361008【正文语种】中文【中图分类】TP722.770.2在高速、高精度流水线型模数转换器中，模拟信号经采样保持后得到的信号将经过多级流水线级进行处理.每个流水线级的输入信号经过Flash模数转换器（ADC）得到对应的数字码，而其中无法被分辨的残余信号被本级放大后再输出到下一级进行处理［1］，得到残差信号并将其放大的电路即为残差放大器（MDAC）.残差放大器是以运放为基础搭建的开关电容放大器，其精度和速度直接影响到整个流水线ADC的速度和精度.为满足高精度，要求运算放大器必须具有非常高的开环增益，倾向于选择多级结构和长沟道器件［2］；为了实现高速，要求运算放大器具有大的单位增益带宽，而单级运放结构和短沟道器件是能够满足的［3］.然而，两者不可避免会产生冲突，解决问题的关键是寻找一种满足要求的折衷结构.增益自举技术大大增加了输出阻抗以提高运放增益［4］，但并不增加额外的共源共栅器件，不会影响主运放的输出摆幅、单位增益带宽.基于增益自举结构的运算放大器［5］利用辅助运放来提高增益，且不会影响运放的输出共模范围和速度，适用于高速、高精度模数转换器.本文基于12bit 100MSPS模数转换器，设计全差分跨导运算放大器，并对增益自举运放建立数学模型和Matlab仿真验证.采用增益自举运算放大器结构，其频率响应特性近似为单极点系统，并能实现高增益、大带宽和快速建立时间，如图1所示.该运算放大器由一个套筒式共栅共源主运放和两个辅助运放构成.M1的工作像一个反馈电阻，检测输出电流并把电流转换为电压；然后，将电压经辅助放大器A1通过M2的栅端反馈到输出电流上，以此减小M2漏极电压的变化对Vx的影响，从而使输出电流更加稳定，得到更高的输出阻抗.设辅助运放直流增益为Aadd，根据电流－电压反馈原理，电路的输出阻抗增大了Aadd倍.因此，主运放的套筒式共栅共源结构加上辅助运放后，其运放的直流增益增大为在增益自举技术中，辅助运放A1的添加会影响主运放的性能，因此需要分析两者的关系，使整体运放达到最好的指标.考虑整体运放的开环特性，为简单计，设辅助运放为单极点系统，其传输函数为此时，增益自举运放的增益可以表示为式（3）中：gm1为输入管 M1 管跨导；CL 为负载电容；Rout（s）是频率的函数.Rout（s）的表示式为式（4）中：gm2为 M2 管跨导；rds1与rds2分别为 M1 与 M2 管的输出阻抗.将式（4）代入式（3），可得到把式（2）代入式（5）并化简，可得到总的开环增益为从式（6）可以看到，增益自举运放存在一个左半平面零点，其值等于辅助运放的单位增益带宽（WGB），即ωZ＝Aaddω1＝WGBadd.由式（6）可以推导出其主极点和次主极点分别为式（8）中：第1项为辅助运放的单位增益带宽；第2项为没有添加增益自举技术时主运放的主极点.当次主极点的第1项远大于第2项时，第2个极点p1≈Aaddω1≈ωZ.由此可以看出，辅助运放对整体运放产生了位置很相近的一个零极点对.进一步考虑其闭环特性.在首级残差放大器中，运算放大器处于反馈系数为β的闭环结构中.此时，闭环传输函数可表示为从式（10）中可以看出，零极点对的存在给运放的建立特性带来了影响.为了尽量减小其影响，必须使τ1＞τ2，则要求β·WGBmain＜WGBadd，同时确保Vout 数值有效，则有.由此可得当满足上述要求时，辅助运放的频率特性对整个放大器的频率特性没有太大的影响.增益自举的单位增益带宽主要由主运放的单位增益带宽决定，可表示为针对辅助运算放大器的主极点，编写Matlab程序，得出辅助运放的主极点和整体运放的建立时间、峰值电压和峰值时间的关系图，如图2所示.由图2可知，当辅助运放的主极点增大时，运放的峰值时间将减少，且减少趋势逐步降低；在300～750MHz时，峰值时间变化最小.同时，运放的峰值电压随着辅助运放主极点增大而增加.在320～890MHz之间，运放的建立时间随着辅助运放主极点的增加而减少，但变化幅度较少（低于0.003 7%）.因此，可以得出辅助运放的主极点在320～890MHz之间变化时，对增益自举运算放大器的建立时间影响不大，而在220～230MHz之间，运放建立时间减少1ns，变化幅度较为剧烈（10%）.此时，辅助运放的主极点将对整体运放产生迟滞作用，增大整体运放的建立时间.由此得到设计时在满足式（13）条件的基础上，辅助运算放大器的单位增益带宽不需太大，可以得到功耗和速度的优化.除了考虑辅助运放的频域、时域特性外，还必须考虑到其对整体运放共模输入范围和输出摆幅的影响［6-7］.辅助运算放大器采用折叠型共栅共源运放结构，不会影响整体运放的输出摆幅.由于两个辅助输入共模电平的不同，其输入管分别为PMOS管和NMOS管.图3是输入对管为NMOS管的辅助运放A1.图3中，A2也同为折叠式共栅共源运放，只是输入对管类型不同.运放仿真性能指标：开环增益为102dB；单位增益带宽为1.95GHz；相位裕度为62°；建立时间为4.8ns；负载电容为3.5pF；供电电源为3.3V.在有、无增益自举结构情况下，套筒运放在添加增益自举结构前后的幅频特性和相频特性，如图4所示.图4中：A为振幅增益；φ为相位裕度；f为频率.从图4中可知，仿真结果和理论研究基本相符.在未加增益自举结构时，运放仅能达到51dB的增益；添加辅助运放后，可以达到106dB的增益，满足首级MDAC 对运放增益的要求.在图4中还可以看到，添加辅助运放后的主极点较之前大大减小，次主极点略有减小.这是由于辅助运放的添加增大了该点的寄生电容.但是，由于增益的提高，运放的单位增益带宽及相位裕度在两种情况下基本不变，证明辅助运放的添加并不会影响运放使用时的速度.系统分析了在Pipeline ADC设计中增益自举结构的跨导运算放大器特性，揭示了辅助运算放大器对整体运算放大器带宽影响的数学机理，对模数混合信号电路设计者有较大的参考价值.【相关文献】［1］GALTON S E.A digitally enhanced 1.8－V 15－bit 40－MSample／s CMOS Pipelined ADC［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，2004，39（12）：2126－2138.［2］QUINN P J，VAN ROERMUND A H M.Design and optimization of multi－bit front－end stage and scaled back－end stages of pipelined ADCs［J］.IEEE ISCAS，2005，40（3）：1964－1967.［3］BULT K，GEELEN G J G M.A fast－settling CMOS op amp for SC circuits with 90－dB DC gain［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，1990，25（6）：1379－1384.［4］LOTFI R，TAHERZADEH－SANI M，AZIZI M Y，et al.Systematic design for power minimization of pipelined analog－to－digital converters［C］∥International Conference on Computer Aided Design.San Jose：［s.n.］，2003：371－374.［5］CHOKSI O，CARLEY R L.Analysis of switched－capacitor common－mode feedback circuit［J］.IEEE Transactions on Circuit and Systems（Ⅱ）：Analog and Digital Signal Processing，2003，50（12）：：906－917.［6］GRAY P R.Analysis and design of analog integrated circuits［M］.New York：Wiley，2000.［7］凌朝东，黄群峰，张艳红，等.脑电信号提取专用电极芯片的设计［J］.华侨大学学报：自然科学版，2007，28（3）：260－263.。
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CMOS运算放大器的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日目录第一章绪论 (4)1.1设计平台及软件介绍 (4)1.1.1 PSPICE简介 (4)1.1.2 L-Edit简介 (4)1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介 (4)1.2 设计方法 (5)1.2.1CMOS运算放大器设计方法 (5)1.2.2运算放大器的性能优化 (5)第二章全差分运算放大器基础 (7)2.1 MOS器件基本特性 (7)2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性 (7)2.1.2 MOSFET的小信号模型 (8)2.2运算放大器概述 (9)2.3全差分运算放大器特点 (10)第三章 CMOS模拟运放设计 (12)3.1设计目标 (12)3.2电路结构分析 (12)3.3.1 输入级设计 (13)3.3.2电流镜电路 (14)3.3.3偏置电路 (15)3.3.4 输出级 (16)3.3.5 整体电路 (16)第四章运放参数的模拟与测量 (18)4.1瞬态分析 (18)4.2 温度特性 (19)4.3输出阻抗 (20)4.4交流特性分析 (21)5.1版图设计基础 (22)5.1.1设计流程 (22)5.1.2 L-edit中的版图设计 (23)5.2 版图设计 (24)5.3版图参数的提取并仿真 (25)5.3.1版图参数的提取和修改 (25)5.3.2电路仿真 (26)第六章总结 (28)【参考资料】 (29)附录： (30)一、Pspice仿真代码： (30)1、原理层次仿真代码（偏置电压由直流电压直接替代） (30)2、MOS分压电路中MOS宽长比确定电路 (31)3、最终Pspice仿真代码 (32)二、版图生成代码 (33)三、版图修改代码 (36)第一章绪论1.1设计平台及软件介绍1.1.1 PSPICE简介PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。
于1972年由美国加大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
PSPICE仿真软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。
它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。
1.1.2 L-Edit简介L-Edit是专用集成电路设计软件TannerTools中的主要版图设计软件，是一个用来制造集成电路掩膜的版图设计工具。
L-Edit中的层与掩膜生产过程相关联，不同的层能被方便地显示为不同的颜色和样式，并且每层间相互独立。
L-Edit 以文件、单元、简单的掩膜的形式描述版图设计。
其最大的特点是速度快、功能强、使用方便和分层设计。
1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介Cadence、OrCAD、Capture 是线路图输入系统，具有快捷、通用的设计输入能力，针对设计一个新的模拟电路、修改现有的一个 PCB 的线路图、或者绘制一个 HDL 模块的方框图，都提供了所需要的全部功能。
它运行在 PC 平台，用于 FPGA 、 PCB 和Cadence、OrCAD、PSpice设计应用中，它是业界第一个真正基于 Windows 环境的线路图输入程序，易于使用的功能及特点已使其成为线路图输入的工业标准。
1.2 设计方法1.2.1CMOS运算放大器设计方法CMOS运算放大器的设计通常包括结构设计和器件设计两个状态。
首先，寻找可行的结构，如果选择的结构不符合要求，则需要修改结构或重新设计。
一旦符合条件，接着进行器件设计，确定直流工作点、器件尺寸和偏置网络，必须仔细计算器件的尺寸以满足运放的交、直流要求。
为了满足所有的设计指标，这两个设计步骤需要重复的进行。
下图给出了运算放大器的设计流程：图1.1：模拟运算放大器设计流程1.2.2运算放大器的性能优化“理想”运放具有以下的特性：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换速率和开环增益；无噪声、失调、功耗浪费和信号失真；无负载、频率和电源电压的限制。
事实上，没有运放能达到以上所有的特性。
在实际的设计中，运放参数中的大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。
如下图“模拟电路设计八边形法则”所示，这样的折衷选择、互相制约对高性能放大器的设计提出了许多难题，要靠理论和经验才能得到一个较佳的折衷方案。
图1.2：模拟电路设计八边形法则第二章全差分运算放大器基础本章主要介绍MOS器件的一些特性，以及运算放大器的相关容。
2.1 MOS器件基本特性2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性下面为N沟道增强型MOS管的剖面图及其输出特性曲线。
图2.1：强反型时增强型NMOS管的剖面图图2.2：NMOS管的i-u特性CMOS 管的强反型区：当MOS 器件的栅源电压大于阈值电压时，称之为强反型状态。
当TH GS DS u u u ->时，器件饱和区，这里的DS u ，GS u 与TH u 分别指MOS 管的漏源电压、栅源电压和阈值电压。
实际上，在MOS 运放设计中，大部分的MOS 管都是工作在饱和状态，因为对于给定的漏极电流和器件尺寸来说，工作在饱和区可以提供稳定GS u 的电流和比较大的电压增益。
在饱和区，MOS 器件的漏极电流和栅源电压的关系由下式决定：()()2221TH GS N TH GS ox n D u u K u u LW C i -=-=μ 式中uN 为NMOS 沟道中电子迁移率，COX 为栅氧化区单位面积电容，W 为有效沟道宽度，L 是有效沟道长度，KN 为NMOS 管的导电因子。
在模拟电子电路中，MOSFET 的跨导gm 是一个重要的参数。
根据上式可求得MOSFET 在饱和区静态工作点处的小信号跨导： ()THGS D TH GS ox n GS D m u u i u u L W C u i g -=-=∂∂=2μ或者 D ox n m i L W C u g 2=可见MOSFET 的饱和区的跨导m g 不仅与它的工作电流D i 有关，而且可通过选择器件尺寸LW 加以改变。
正因为如此，使MOS 模拟IC 的设计更为灵活。
2.1.2 MOSFET 的小信号模型当NMOS 管在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如下 图所示，在电路计算中，由MOS 管的大信号模型算出电路的静态工作点后，就必须由小信号等效模型来分析电路。
小信号模型是能简化计算工作的线性模型，它是在一定的电压电流下有效，它的各项参数依赖于大信号模型参数和直流变量。
图2.3：MOSFET 的小信号模型上图列出手工设计时的简化等效电路模型，各参数定义如下：栅-衬底电容DB C 和源-衬底电容SB C ；GB C 、GS C 、栅-漏电容GD C ；()TH GS oxn GS D m u u LWC u i g -=∂∂=μ 饱和区跨导： 令 LWCoxnμβ=m g 可以表示为：()D TH GS m i u u g ββ2=-=输出电阻为：Do i r λ1=输出电阻影响模拟电路的许多特性，例如，它限制着大多数放大器的最大电压增益。
在简化的手工分析中，可以使用近似表达式：GS m D u g i =2.2运算放大器概述运算放大器是模拟电路设计中用途最广/最重要的部件，大量的具有复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置产生到高速放大或滤波。
运算放大器是具有足够正向增益的放大器（受控源），当加负反馈时，闭环传输函数与运算放大器的增益几乎无关。
利用这个原理可以设计出很多有用的模拟电路和系统。
对运算放大器最主要的一个要有一个足够大的开环增益以符合负反馈的概念。
单级放大器大多没有足够大的增益，因此多数CMOS 运放采用两级或多级增益。
最常用的运算放大器之一是两级运算放大器，下图为最常用的两级运算放大器的框图。
图2.4：运算放大器的基本结构上图描述了运算放大器的重要组成部分，CMOS运算放大器在结构上非常类似于双极型运算放大器。
输入级——主要作用是放大差模输入信号，由差分放大电路组成，有时会提供一个差分到单端的转换，利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比，可以改善噪声和失调性能，且具有很强的抗干扰能力，并具有温度漂移下、级间易直接耦合。
增益级——这一级的主要作用是提高电压的增益，如果差分输入级没有完成差分到单端的转换，那么这个工作应该由这级来完成。
输出级——输出级一般由源极跟随器或推挽放大器组成，用于降低输出阻抗，维持大的信号摆幅。
偏置电路——主要用于为每只晶体管建立适当的静态工作点。
补偿电路——在运算放大器中加负反馈，用以保持整个电路工作的稳定。
2.3全差分运算放大器特点现代模拟集成电路中，高性能的运放多采用全差分形式。