【正文】 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要隨著集成電路工藝的發(fā)展，CMOS電路由于其低成本、低功耗以及速度的不斷提高，在集成電路中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。CMOS運(yùn)算放大器也因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)常被用于模擬集成系統(tǒng)或子系統(tǒng)中，它的性能的好壞直接決定了整個(gè)模擬集成系統(tǒng)性能的好壞。因此，有必要對(duì)用CMOS運(yùn)算放大器進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究。 CMOS運(yùn)算放大器作為模擬集成電路最重要的功能模塊，其設(shè)計(jì)一般包括以下幾個(gè)步驟：確定設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)或綜合；仿真；幾何版圖設(shè)計(jì)；版圖后仿真；流片；測(cè)試。本論文主要對(duì)兩級(jí)CMOS運(yùn)算放大器進(jìn)行了前端設(shè)計(jì)及仿真。論文在確定了兩級(jí)CMOS運(yùn)放設(shè)計(jì)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩級(jí)CMOS運(yùn)算放大器的基本電路結(jié)構(gòu)，分析了各組成模塊的電路功能，通過(guò)分析性能參數(shù)與MOS管幾何參數(shù)的關(guān)系，得到了電路中各MOS管的寬長(zhǎng)比。論文在介紹仿真環(huán)境OrCAD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作性能的基礎(chǔ)上，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了PSpice軟件仿真，得到了設(shè)計(jì)電路的直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)以及頻率特性的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果分析表明所設(shè)計(jì)的電路符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的兩級(jí)CMOS運(yùn)算放大器的可靠性和可行性。關(guān)鍵詞：CMOS；運(yùn)算放大器；PSpice仿真；小信號(hào)放大；頻率響應(yīng)AbstractWith the development of CMOS technique, CMOS integrated circuits have bee the mainstream of integrated circuits techniques, due to its low cost, low power consumption and continuously improved speed. As the CMOS process has good performance merits, therefore the operational amplifier bined with CMOS technique has been widely used because of its unique performance.As the most important functional module in analog integrated circuits, the design of CMOS operational amplifier includes several steps as follows: determination design requirements, design or synthesis, simulation, design geometric layout, postlayout simulation, tapeout and test. The formal steps of the design of the twostage CMOS operational amplifiers was provided in this paper, and the basic circuit structures of the twostage CMOS operational amplifier was introduced. Based on determining the opamp design specifications, the relationship between performance parameters and transistor geometry parameters was analyzed and the ratio of the transistors width to length was calculated. As a kind of simulation tool, the structural characteristics and work performance of OrCAD was described in detail. The feasibility of the design was determined by using PSpice simulation. Analysis of bias point, transient and the frequency characteristics of the circuit have been pleted in this paper, and the simulation results showed that the designed circuit meets the design requirements and targets, also design the reliability and feasibility of the twostage CMOS operational amplifier has been fired.Key words: CMOS；Operational amplifier；Pspice simulation；Small signal amplification；Frequency responseII畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目錄摘 要 IAbstract II 1 1 1 1 2 CMOS集成工藝 4 4 6 兩級(jí)CMOS運(yùn)算放大器的組成模塊選擇原則 6 第一級(jí)放大模塊 7 第二級(jí)放大模塊級(jí)輸出模塊 8 偏置及補(bǔ)償模塊 10 兩級(jí)CMOS運(yùn)放電路 10 11 12 兩級(jí)CMOS運(yùn)放的參數(shù)計(jì)算 12 13 13 19 20 仿真環(huán)境OrCAD 20 直流工作點(diǎn)分析 23 瞬態(tài)特性分析 28 頻率特性分析 32 小結(jié) 344 電路的優(yōu)化設(shè)計(jì) 35 35 38結(jié)論及展望 41致謝 42參考文獻(xiàn) 4343 1. 緒論 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器[1]（常簡(jiǎn)稱(chēng)為運(yùn)放）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱(chēng)一直延用至今。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。集成電路一般分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類(lèi)，兩類(lèi)電路的設(shè)計(jì)方法不盡相同。近年來(lái)，隨著SOC的發(fā)展，混合信號(hào)集成電路得到了廣泛應(yīng)用，并且其相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展。第一個(gè)使用真空管設(shè)計(jì)的放大器大約在1930年前后完成，運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來(lái)的目的是將電壓類(lèi)比成數(shù)字，用來(lái)進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)超過(guò)加減乘除的計(jì)算。今日的運(yùn)算放大器，無(wú)論是使用晶體管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成電路（integrated circuits）元件，運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。1960年代晚期，仙童半導(dǎo)體推出了第一個(gè)被廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器，型號(hào)為μA709。但是709很快地被隨后而來(lái)的新產(chǎn)品μA741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。運(yùn)算放大器（常簡(jiǎn)稱(chēng)為“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱(chēng)一直延續(xù)至今。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。（一）原理運(yùn)放如圖11有兩個(gè)輸入端a（反相輸入端），b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o。也分別被稱(chēng)為倒向輸入端、非倒向輸入端和輸出端[2]。當(dāng)電壓加U加在a端和公共端之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見(jiàn)，a端和b 端分別用“”和“+”號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。 運(yùn)算放大器一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口（Out）和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器?！　∵\(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。　　運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。（二）類(lèi)型按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分，集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類(lèi)?！　⊥ㄓ眯瓦\(yùn)算放大器　　通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例μA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。高阻型運(yùn)算放大器這類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid＞1GΩ~1TΩ。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸