二阶密勒补偿运算放大器版图设计.docx

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1、天津职业技术师范大学TianjinUniversityOfTechno1ogyandEducation毕业论文二阶密勒补偿运算放大器版图设计1ayoutdesignofsecond-orderMi11ercompensationoperationa1amp1ifier专业：xxxxxxxx（全称）班级学号：XXXX-XX学生姓名：XXX指导教师：XXX教授（带职称）二OXX年六月摘要电子工业在如今飞速的发展，集成电路在各行各业中起到了越来越重要的作用，从而促使需求量越来越高。高速、高精度、多功能、低功耗等等的指标己经逐渐走进人们的视野。相对与数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在

2、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。但这并不适用于模拟电路设计。一般来说，模拟电路设计仍然需要手工进行。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。为此,本设计以应用最为广泛的两级密勒补偿运算放大器为例，详细介绍设计电路的详细流程。设计中我们采用Cadence软件在虚拟机中运行来实现电路的仿真。关注运算放大器的各项指标：开环直流增益，单位增益带宽，相位裕度，静态功耗等等。根据提供的指标参数进行设计，最终通过改变晶体管参数和元器件参数进行分析，进而可以达到优化电路的目的。关键词：运算放大器；电路设计；版图设计；CadenCe仿

3、真；性能指标AbstractWiththerapiddeve1opmentofe1ectronicindustry,integratedcircuitsp1ayamoreandmoreimportantro1eina11wa1ksof1ife,whichpromotesthedemandtobehigherandhigher.Highspeed,highprecision,mu1ti-function,1owpowerconsumptionandotherindicatorshavegradua11ycomeintopeop1esvision.Comparedwiththeregu1arity

4、anddiscretenessofdigita1integratedcircuits,CADmethodo1ogyhasbeenverysuccessfu1inthedesignautomationofdigita1systemsgiventherequiredfunctiona1behaviordescription.Butthisdoesnotapp1ytoana1ogcircuitdesign.Genera11yspeaking,ana1ogcircuitdesignsti11needstobecarriedoutmanua11y.Therefore,itisverynecessaryt

5、ocarefu11ystudythedesignprocessofana1ogcircuitandbefami1iarwiththeprincip1esthatimprovethedesignefficiencyandincreasethechanceofdesignsuccess.Therefore,thisdesigntakesthemostwide1yusedtwo-stageMi11ercompensationoperationa1amp1ifierasanexamp1etointroducethedetai1edf1owofthedesigncircuitindetai1.Inthe

6、design,weusecadencesoftwaretoruninthevirtua1machinetorea1izethecircuitsimu1ation.Payattentiontovariousindicatorsofoperationa1amp1ifier:open-1oopDCgain,unitgainbandwidth,phasemargin,staticpowerconsumption,etc.Designaccordingtotheprovidedindexparameters,andfina11yana1yzebychangingthetransistorparamete

7、rsandcomponentparameters,soastoachievethepurposeofoptimizingthecircuit.Keywords:operationa1amp1ifier;Circuitdesign;1ayoutdesign;Cadencesimu1ation;performanceindex目录摘要HAbstractI11弓I言11 .绪论21.1 研究背景21.2 电路设计流程31.3 研究方法32基础知识介绍42.1 集成电路简介42.2 仿真软件的介绍42.3 运算放大器的性能指标52.4 分析63.1 电路原理分析63.2 设计指标73.3 电路设计与参

8、数估算73.3.1 分配各级的增益73.3.2 确定密勒电容Cc的大小7333确定各级工作电流83.3.4 确定第一级输出摆幅和静态工作点83.3.5 估算第一级宽长比9336第二级宽长比的估算94仿真验证和结果分析104.1 运行软件104.1.1 建立库114.1.2 原理图绘制方法124.2 仿真测试与结果分析134.2.1 静态工作点仿真134.2.2 共模输入范围仿真的过程和结果144.2.3 开环增益，相位裕度，单位增益带宽的仿真154.2.4 共模抑制比的仿真过程与结果16为了方便仿真时的操作，首先将电路制成SymbO1模板，模板电路图如下：164.2.5 运算放大器设计指标与仿

9、真结果204.3 电路静态总功耗20电路总功耗为：205版图设计215. IVirtuosoEditing的使用简介215.1.1 版图设计库的建立215.1.2 绘制inverter掩膜版图的一些准备工作225.2绘制版图23结论28参考文献29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一一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

10、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(1SD)、超大规模IC(V1SI)和特大规模(U1SI)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0.18Um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(A1D)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。集成电路的发展改变了人们的日常生活，它可以说是人类文明史上的新变革。电子产品

11、的越来越多，应用的范围也越来越广，其内部的半导体集成电路的制作要求也就越来越高。进而集成电路中的电路设计就变得越来越重要，同时也会面临着压力，这便是我们正在面临的问题。目前看来，一般模拟电路设计依然需要手工设计。因此研究模拟电路设计过程，提高设计成功机会和效率是非常必要的。虽然在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面计算机辅助设计方法应用得很成功了，但对于模拟电路来说并不适用。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。一旦结构确定，接着就要选

12、择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电路等等，这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。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。但要手算是绝对必需的！通过手算，可以深入的理解电路，对于设计多边形法则也可以更好进行权衡和把握。模拟电路的设计一般分为三个步骤：第一，进行原理图的设计，选择设计所选用的晶体管和各个电路器件，绘制出原理图；第二，参数的估算，根据所要求给定的参数，总体上估算出电路中元器件的参数数值；第三，仿真验证，验证实际数值是否与估算值有相差，如果有相差,我们需要进一步分析导致误差的原

13、因，通过微调电路或者元器件的参数最终得到满足设计条件的电路图。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。画出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，再进行版图设计，从版图中提取文件。根据版图中提取的参数利用Cadence软件进行仿真,然后分析仿真数据结果,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。1 .绪论1.1 研究背景运算放大器（简称运放）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际地电路中，通常结合反馈

14、网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数字运算，故得名“运算放大器”。运算放大器（简称运放）是许多混合信号系统和模拟系统中的一个组成部分。不同层次的复杂的运算放大器是用来实现多种功能的：高速放大或过滤的直流偏置。每一代CMOS技术，由于供应减少电压和晶体管沟道长度的运算放大器的设计，继续为运放的设计提出一个复杂的问题。我们粗略地把运放定义为“高增益的差动放大器”。所谓“高”，指的是对应用，其增益己足够了，通常增益范围在IO-IO5O由于运放一般用来实现一个反馈系统，其开环增益的大笑根据闭环增益电路的精度要求来选取。20年前,大多数的运放是各种应用的一个通用模块。这些努力

15、试图创造一个“理想”的运算放大器，例如，高电压增益，高输入阻抗和低输出阻抗。然而，却要牺牲成本费用的其他性能如输出幅度，速度和功耗。与次相反，今天的运放设计，放大器的设计从开始就认识到妥协之间的各种参数，这样一个妥协，最终将需要更多地考虑整体的设计，因此，我们需要知道满足每个人从适当的值的参数。例如，如果高速度的要求，增益误差要求不高的选择电路结构应有利于前者，后者可以牺牲。运算放大器的版图设计，是模拟集成电路版图设计的典型，利用CadenCe对设计初稿加以模拟，然后对不符合设计目标的参数加以修改并进行模拟，重复这一过程，最终得到优化设计方案，其关键在于寻找目标与决定因素之间的关系。1.2 电

16、路设计流程首先是确定设计目标。根据目标的需求，以及需要使用的电路工艺，决定具体的电路要求。这些要求包括：增益、电源电压、功耗、带宽、电路面积、噪声、失真、输入输出动态范围等。在这里设计者要对目标有清晰透彻的理解，并可通过一些方法如建模等对目标的可实现性进行验证，从而使后续工作能够顺利的进行。其次是构造电路并进行仿真。通常也可以称此阶段为电路设计。但是，这里的“设计”只是整个电路设计流程中的一步。这里要对电路的各个主要性能进行仿真，对不符合要求的参数进行修改，并重新仿真。重复这一过程。使其最终能达到所需要的性能指标。最后是版图的绘制。所谓电路原理图是指器件符号与连线的抽象关系的表示，并不是实际中的电路连接，因此我们必须将电路原