【正文】 1. 066uA6. 389pA{V2}V40AM1pm os W = 20uL = 3u0A1. 066uA1. 066uA6. 389pAM8pm osL = 40uW = 3u0A2. 343pA4. 113pA1. 770pA2. 849VVP4. 125V4. 037Vv ddP A R A M E T E R S :V2 = 1. 6Vv dd0M4 nm osW = 8uL = 5u1. 066uA0A1. 066uA791. 8f AM7nm osW = 8uL = 3u2. 626uA0A2. 626uA4. 135pAM 4ppanm osL = 65uW = 3u12. 28uA0A12. 28uA4. 047pA 圖 靜態(tài)工作點(diǎn)顯示 Figure The static working point display 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 23 由圖 知，該 CMOS 放大器的功耗＝ 5V A＝ W （ 2）開環(huán)幅頻、相頻特性 曲線： Frequency10Hz 100Hz 10KHz 100KHz 10MHz1 VDB(OUT) 2 P(V(Out))500501001 200d150d100d50d0d2 P(V(OUT))VDB(OUT)(,(,(,) 圖 開環(huán)幅頻、相頻特性曲線 Figure The open loop frequency and amplitude, phase frequency characteristic curve 由圖 可知：當(dāng)該 CMOS 放大器共模輸入為 時，開環(huán)增益為 ，單位增益帶寬為 ，相位裕度為 51176。 圖 MOS管參數(shù)設(shè)置 Figure MOS parameter setting 1) CMOS 放大器模擬結(jié)果顯示 1) CMOS 放大器共模輸入 （ 1）靜態(tài)工作點(diǎn)的顯示 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 21 C23pFM7nm osW = 8uL = 3u2. 620uA0A2. 620uA4. 379pA3. 605VC11. 1pv ref4. 369Vv inM4 nm osW = 8uL = 5u1. 049uA0A1. 049uA790. 4f Aout 12. 500V4. 037Vv inM9nm osW = 3uL = 5u4. 375pA0A4. 383pA8. 758pA780. 4m VM3nm osW = 8uL = 5u1. 049uA0A1. 049uA790. 4f AVP4. 037V0V780. 4m V780. 4m V0VV D Bv ddv ddOut05VV117. 00uA05. 000V0M6pm osW = 44uL = 18u0A2. 620uA2. 620uA640. 9f Av dd4. 369VM5pm osW = 9uL = 5u0A2. 097uA2. 097uA1. 405pA780. 4m V 780. 4m VM 1ppapm osL = 3uW = 30u0A12. 28uA12. 28uA973. 0f AV31Vac2. 5Vdc0AM8pm osL = 40uW = 3u0A3. 094pA4. 375pA1. 282pAM1pm os W = 20uL = 3u0A1. 049uA1. 049uA5. 634pAM 4ppanm osL = 65uW = 3u12. 28uA0A12. 28uA4. 047pAv ddv refM2pm osW = 20uL = 3u0A1. 049uA1. 049uA5. 634pA0V42. 5Vdc0A 圖 靜態(tài)工作點(diǎn)顯示 Figure The static working point display 由圖 ，該 CMOS 放大器的功耗＝ 5V A＝ 85μ W （ 2）開環(huán)幅頻、相頻特性曲線： Frequency10Hz 100Hz 10KHz 100KHz 10MHz1 VDB(OUT) 2 P(V(Out))500501001 200d150d100d50d0d2 P(V(OUT))VDB(OUT)(,)(,0)000,) 圖 開環(huán)幅頻、相頻特性曲線 Figure The open loop frequency and amplitude, phase frequency characteristic curve 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 22 由圖 ：當(dāng)該 CMOS 放大器共模輸入為 時，開環(huán)增益為 ，單位增益帶寬為 ，相位裕度為 55176。 V31Vac0M4 nm osW = 8uL = 5uv invbM9nm osW = 3uL = 5uC23pFVPOut0V D Bvb0v re fC11. 1p 0M7nm osW = 8uL = 3uM5pm osW = 9uL = 5u{v b}V2M1pm os W = 20 uL = 3uv ddM6pm osW = 44 uL = 18 uP A R A M E T E R S :v b = 4Vv dd5VV1v inM2pm osW = 20 uL = 3uM3nm osW = 8uL = 5uv ddv dd5VV4v re fM8pm osL = 40 uW = 3u 圖 電路調(diào)試圖 Figure Debugging the circuit diagram 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 對 vb 進(jìn)行參數(shù)掃描，其開環(huán)幅頻特性如圖 所示： Frequency10Hz 100Hz 10KHz 100KHz 10MHzVDB(OUT)804004080 圖 參數(shù)掃描 Figure Parameter sweep 通過對外加直流偏置 vb 進(jìn)行參數(shù)掃描，觀察其幅頻特性曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng) vb＝ 時，電路性能最優(yōu)。 電路仿真 在手工近似計算后，利用仿真軟件對電路進(jìn)行驗證、修改和優(yōu)化。則 p2至少要大于 ） 最大共模電壓 V=VDD— 5I??— |VTO3|Vmax+VT|Vmin 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 最大共模電壓 V=VDD— 51I? +V T|max+ 52DSSI? 一般增大溝道長度可以進(jìn)一步提高增益。 圖 設(shè)計流程 Fig. the design process 3 CMOS 運(yùn)算放大器電路設(shè)計 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 電路的 PSpice 模擬及理論計算 M6 pm osM5pm osM4nm osC21nM8pm osM 1 pp apm os0v inv ddM9nm os00M1pm osO u tM3nm osv ddM2pm osv ddM 4 pp anm osM7nm osv refC11n 圖 Pspice模擬的 CMOS運(yùn)算放大器電路 Figure The CMOS operational amplifier circuit, Pspice simulation 1) 理論計算 根據(jù)近似公式手工計算：首先確定設(shè)計的最小溝道長度。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 CMOS 運(yùn)算放大器的設(shè)計流程一般包括：根據(jù) 電路特性要求選定電路結(jié)構(gòu)、電路模擬、版圖設(shè)計、版圖驗證等 電路模擬：根據(jù)設(shè)計要求的性能指標(biāo)及電路結(jié)構(gòu)，用 OrCAD 軟件對電路進(jìn)行直流、交流、瞬態(tài)分析，并進(jìn)行性能分析，初步確定各間的寬長比（ W/L），再對電路中各級間 的 W/L 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確定滿足性能的 W/L。運(yùn)算放大器主要由差分輸入級 、中間增益級、推挽輸出級以及各級的偏置電路組成。 [8] 本文研究內(nèi)容 單 5V 電源供電，共模輸入范圍 ~；功耗小于 100uW；開環(huán)增益大于 80dB；單位增益帶寬大于 2MHz；相位裕度大于 45?。目前的運(yùn)放主要采用了CMOS、雙極、 BICMOS 等工藝制造。單位增益帶寬、全功率帶寬、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗。 第三類是采用全 MOS 場效應(yīng)管工藝的模擬數(shù)字混合運(yùn)算放大器 溫度漂移指標(biāo)目前可以達(dá)到 。典型開環(huán)輸入阻抗在 10^ 12 歐姆數(shù)量級。 運(yùn)算放大器基本上是電子電路中最常見的電路之一，在電路中主要起著將輸入端的兩個電壓之間的差放大一定的倍數(shù)已達(dá)到設(shè)計者的目的。 CMOS 運(yùn)算放大器具有可靠性高，成本低、調(diào)試方便，在各個領(lǐng)域的電子電路中的應(yīng)用都非常廣泛。但是如果集成電路放大器不能滿足電路系統(tǒng)對于放大器的需求時，就會利用分立原件來實現(xiàn)這些特殊規(guī)格的放大器。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 運(yùn)算放大器最早設(shè)計出來是用來進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時也是模擬計算機(jī)的基本構(gòu)建模塊。 1) 運(yùn)算放大器的發(fā)展歷史 運(yùn)算放大器的發(fā)展已有 40 余年的歷史，最早的是采用硅 NPN 工藝，后來改進(jìn)為NPNPNP 工藝 (標(biāo)準(zhǔn)硅工藝 )。 CMOS 的特點(diǎn)是低功耗。 MOS 是：金屬 氧化物 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱 MOS 晶體管，有 P 型 MOS 管和 N型 MOS 管之分。正因此，電視傳播逐步地融入了大眾生活，使人們生活方式和價值觀均發(fā)生了深刻的變化。各種各樣的手機(jī)接連問世，從小靈通到具有攝像功能的高新手機(jī)，手機(jī)行業(yè)正在以驚人沖擊人們的思維和眼界。手機(jī)、電視、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等都與我們的生活關(guān)系越來越近。 身體幾乎任何部位皆可執(zhí)行 MRI檢查，影像非常清晰與細(xì)膩，尤其是對軟組織的顯影，不是任何其它醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)所能比擬的。在非心臟的外科手術(shù)患者中合并有心動過緩及傳導(dǎo)阻滯者，在圍手術(shù)期可因為麻醉、藥物及手術(shù)的影響，加重心動過緩及傳導(dǎo)阻滯，增加了手術(shù)風(fēng)險，限制了外科手術(shù)的開展，而植入臨時心臟起搏器可有效解決上述問題，增加此類患者圍手術(shù)期的安全性。在醫(yī)學(xué)管理方面 IC 卡醫(yī)療儀器管理系統(tǒng)就是典型代表。 3) 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對醫(yī)療健康、生活質(zhì)量、疾病護(hù)理等方面提出了越來越高的要求。有源相西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 控陣?yán)走_(dá)是集現(xiàn)代相控陣?yán)碚?、超大?guī)模集成電路、高速計算機(jī)、先進(jìn)固態(tài)器件及光電子技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)物。前不久，我國已成功發(fā)射了第二代北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，未來將形成由 5顆靜止軌道衛(wèi)星和 30 顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)，我國自主衛(wèi)星定位導(dǎo)航正在由試驗向應(yīng)用快速發(fā)展。隨著高新技術(shù)的發(fā)展必將會有越來越多的高新計算機(jī)出現(xiàn)在我們面前。 集成電路應(yīng)用領(lǐng)域 1) 在計算機(jī)的應(yīng)用 隨著集成了上千甚至上萬個電子元件的大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，電子計算機(jī)發(fā)展進(jìn)入了第四代。由于電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結(jié)構(gòu)脆弱而且需要高壓電源的缺點(diǎn)，很快就不適合發(fā)展的需求，就沒躲過被淘汰的命 運(yùn)。 1997 年： 300MHz 奔騰Ⅱ問世 ,采用，奔騰系列芯片的推出讓計算機(jī)的發(fā)展如虎添翼，發(fā)展速度讓人驚嘆。從外觀上看，它已成為一個不可分割的完整器件，集成電路在體積、重量、耗電、壽命、可靠性及電性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、儀器儀表及電視機(jī)、錄像機(jī)等電子設(shè)備中。 關(guān)鍵詞 ： CMOS、運(yùn)算 放大器、電路模擬、版圖設(shè)計。 CMOS運(yùn)算放大器由于具有可靠性高、成本低廉、調(diào)試方便，在電子電路的各個領(lǐng)域中應(yīng)用都相當(dāng)廣泛，當(dāng)今 99%的數(shù)字系統(tǒng)采用 CMOS工藝實現(xiàn)。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。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包 含任何其他個人或集體已