【正文】 ....................... 14 CMOS 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)流程 .................................... 14 3 CMOS 運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì) ........................................... 15 電路的 PSpice 模擬及理論計(jì)算 ................................... 16 電路結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)調(diào)試 ........................................ 17 電路仿真 ...................................................... 17 4 CMOS 運(yùn)算放大器版圖設(shè)計(jì) .......................................... 27 版圖設(shè)計(jì)流程 ................................................... 27 工藝設(shè)計(jì)規(guī)則 ................................................... 28 單元器件的繪制 —— 圖元 ......................................... 29 CMOS 放大器的版圖設(shè)計(jì) ........................................ 33 TSpice 仿真 ................................................... 36 5 總結(jié) ............................................................... 40 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 參考文獻(xiàn) .............................................................. 41 致謝 .................................................................. 43 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 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。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 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)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。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 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 CMOS 運(yùn)算放大器 摘要 ： CMOS全稱 Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料。 本文著重論述 CMOS 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與仿真，論文中主要研究了以下幾方面的關(guān)鍵問題：一、 CMOS運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)；二、 CMOS運(yùn)算放大器的電路參數(shù)；三、CMOS運(yùn)算放大器的 LEdit仿真。 two, CMOS operational amplifier。 1906 年，第一個(gè)電子管誕生； 1912 年前后，電子管的制作日趨成熟引發(fā)了無線電技術(shù)的發(fā)展； 1918 年前后，逐步發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料； 1920 年，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料所具有的光敏特性； 1932 年前后，運(yùn)用量子學(xué)說 建立了能帶理論研究半導(dǎo)體現(xiàn)象； 1956年，硅臺(tái)面晶體管問世； 1960 年 12 月，世界上第一塊硅集成電路制造成功； 1966年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室使用比較完善的硅外延平面工藝制造成第一塊公認(rèn)的大規(guī)模集成電路。 [2]集成電路制作工藝的日益成熟和各集成電路廠商的不斷競(jìng)爭(zhēng)，使集成電路發(fā)揮了它更大的功能，更好的服務(wù)于社會(huì)。晶體管很快就成為計(jì)算機(jī)“理想的神經(jīng)細(xì)胞”，從而得到廣西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 泛的使用。 計(jì)算機(jī)主要部分幾乎都和集成電路有關(guān)， CPU、顯卡、主板、內(nèi)存、聲卡、網(wǎng)卡、光驅(qū)等等，無不與集成電路有關(guān)。 “北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，與美國(guó) G P S、俄羅斯格羅納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱為全球 4 大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 近年來 ,隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,雷達(dá)技術(shù)有了較大的發(fā)展空間 ,雷達(dá)與反雷達(dá)的相對(duì)平衡狀態(tài)不斷被打破。無論是軍用還是 民用，都對(duì)毫米波雷達(dá)技術(shù)有廣泛的需求，遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)在發(fā)展航天事業(yè)上有廣泛的應(yīng)用前景，是解決對(duì)遠(yuǎn)距離、多批、高速飛行的空間目標(biāo)的精細(xì)觀測(cè)和精確制導(dǎo)的關(guān)鍵手段。諸多專家從醫(yī)療健康領(lǐng)域的需求分析入手，從 集成電路技術(shù)的角度對(duì)醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)（現(xiàn)狀和前景）做了大致的分析探討。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠；控制醫(yī)療外部關(guān)鍵部位，不與醫(yī)療儀器內(nèi)部線路連接，不影響醫(yī)療儀器性能，不產(chǎn)生任何干擾；管理機(jī)與智能床有機(jī)結(jié)合，分析計(jì)次；影像系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，有效解決病人復(fù)查問題；輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理 ，可隨時(shí)查閱檔案記錄，統(tǒng)計(jì)任意時(shí)間內(nèi)的就醫(yī)人數(shù)。磁振造影儀（ MRI）是利用磁振造影 的原理，將人體置于強(qiáng)大均勻的靜磁場(chǎng)中，透過特定的無線電波脈沖來改變區(qū)域磁場(chǎng)，藉此激發(fā)人體組織內(nèi)的氫原子核產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而發(fā)生西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 磁矩變化訊號(hào)。 [4] MRI 的優(yōu)點(diǎn)除了不須要侵入人體，即可得人體各種結(jié)構(gòu)組織之任意截面剖面圖，且可獲取其它眾多的物理參數(shù)信息， MRI 檢查在國(guó)內(nèi)外十幾年來至今尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)人體有任何副作用。目前，我國(guó)已有手機(jī)用戶 5 億多，形成以手機(jī)為載體的網(wǎng)站、報(bào)紙、出版物等新的文化。由于電視是一種變化多端的實(shí)踐、技巧和技術(shù)，于是家庭本身也變成了一種家庭技術(shù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 此外，電視傳播對(duì)于農(nóng)村家庭的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)的信息流通和大眾家庭的教育都有很大的作用，電視傳播也影響了家庭的裝修風(fēng)格與布局，由于電視裝置在家庭中占據(jù)空間的原因，出現(xiàn)了電視裝修墻以求美觀。 [5] 1) 電路原理 CMOS 是一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料。 運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。 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(gè)電壓之間的差放大一定的倍數(shù)已達(dá)到設(shè)計(jì)者的目的。如今的運(yùn)算放大器不論是使用真空管或晶體管、分立式或集成電路原件，它的效能都逐漸接近理想放大器的要求了。運(yùn)算放大器主要由差分輸入級(jí) 、中間增益級(jí)、推挽輸出級(jí)以及各級(jí)的偏置電路組成。 1 引言 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 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 )。 [7] 運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 1) 運(yùn)算放大器的分類 在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加 入了 MOS場(chǎng)效應(yīng)管工藝的運(yùn)算放大器分為三類。 第二類是采用全 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管工藝的模擬運(yùn)算放大器，它大大降低了功耗，但是電源電壓降低。它的典型開環(huán)輸入阻抗在 10^ 12 歐姆數(shù)量級(jí)。在家庭領(lǐng)域電視機(jī)、固話、移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)等等一系列電子產(chǎn)品 99%都要用到運(yùn)放，所以運(yùn)西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 放的地位非常重要，業(yè)界對(duì)運(yùn)放的研究也下了大功夫。各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。 利用 LEdit 軟件進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。 本章主要是 對(duì) CMOS 運(yùn)放進(jìn)行分析，重點(diǎn)是對(duì) CMOS 運(yùn)放的分析方法與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)的研究。版圖設(shè)計(jì)完成后，再?gòu)陌鎴D中提取網(wǎng)表文件（ .spc）。 器件尺寸的選擇可以從多個(gè)地方入手，但由于指標(biāo)之間通常相互制約，需要反復(fù)設(shè)計(jì)過程才能折中選擇最后的尺寸。 電路結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)調(diào)試 M1ppa、 M4ppa 構(gòu)成偏置電路，為 CMOS 放大器提供直流偏置，其管子尺寸大小將較大程度地影響該 CMOS 放大器的功耗； M M M M M5 構(gòu)成輸入放大級(jí)，其中 M M M M4 組成電流鏡，其管子尺寸大小將較大程度地影響該 CMOS 放大器的開環(huán)增益； M M M M9 構(gòu)成輸出級(jí)，其中 M M7 構(gòu)成 CMOS 放大器的后級(jí)放大，將中間級(jí)輸出進(jìn)一步放大； M M9 構(gòu)成 CMOS 傳輸門，影響 CMOS 的帶寬和相位裕度； C1為耦合電容，影響 CMOS 的帶寬和相位裕度； C2為負(fù)載電容，其大小影響 CMOS放大器驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力； Vdd 為直流偏置電源即高電平，為 11 個(gè) MOS 管提供直流工作點(diǎn)； Vref 和 Vin 為CMOS 放大器的兩輸入端； Out 為 CMOS 放大器的輸出端； O為地電平即低電平。在仿真中需要設(shè)置各 MOS 管的周長(zhǎng)及面積的值。的西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 要求，可以進(jìn)行后續(xù)參數(shù)模擬分析。的要求 。的要求。的要求。； 可以進(jìn)行后續(xù)版圖設(shè)計(jì)。 布局的基 本原則有： 根據(jù)連線最短及減小芯片面積的要求，在電路中處于等電位的 MOS 管要盡可能共用有源區(qū)； 盡可能將 PMOS 和 NMOS 管集中在一起； 數(shù)字電路與模擬電路要分隔開，并以保護(hù)環(huán)作為隔離環(huán)進(jìn)行隔離； 布線的基本原則有： 一般連線都用鋁線實(shí)現(xiàn)，并且每一層鋁線布線滿足其最小寬度及線與線間的最小間距要求； 連線以最近連線為準(zhǔn)則； 連線時(shí)應(yīng)避免天線效應(yīng)； 連線時(shí)原則上要求每相鄰層選擇平行與垂直方向間隔走線。 布局、布線完成后必須進(jìn)行 DRC檢查，若有錯(cuò)誤則必須重新進(jìn)行布局、布線，直至完全符合工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，然后再對(duì)電路原理圖的網(wǎng)表與所設(shè)計(jì)的版圖提取的網(wǎng)表進(jìn)行對(duì)比，及 LVS 檢查。而工藝設(shè)計(jì)規(guī)則主要是在滿足所選工藝線的設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，工藝廠家保證能生產(chǎn)出所需要的電路，而避免出現(xiàn)短路、斷路以及形成不了 NOS管（或多了 MOS 管）等狀況。 [13] 最小間距是指為了避免同層圖形間由于工藝制約偏差的存在而造成短路，在同一層掩膜上，各圖形之間的間隔必須不小于某一最小間距，如：多晶硅之間的間距、鋁線之間的間距、阱與阱之間的間距、有源區(qū)之間的間距、多晶硅與有源區(qū)間的間距等。如： N 阱和 P＋ 注入?yún)^(qū)必須有足夠的余量環(huán)繞在晶體管外，以確保即使在出現(xiàn)制造偏差時(shí)器件部分始終在 N 阱和 P＋ 注入?yún)^(qū)里面；又如，對(duì)于連接兩層掩膜的連接孔必須保證足夠的面積以保證接觸孔位于兩層掩膜的正方形區(qū)域內(nèi)。源區(qū)和漏區(qū)分別通過接觸孔（ Active contact）與第一金屬層（ Metal1）連接構(gòu)成源極和漏極。柵指數(shù)（ gates）指柵極的個(gè)數(shù)。 NMOS 襯底接觸單元由 Active 圖層、 P Select 圖層、 Active Contact 圖層和 Metal1 圖層組成。 圖 各層互連的俯視圖 Figure Top view of the interconnect 5) 焊盤（ Pad） 電路的輸入和輸出需要通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電結(jié)構(gòu)（焊盤）來實(shí)現(xiàn)與外部電路的連接，它同時(shí)用于電路的芯片測(cè)試。 ② CMOS 放大器局部放大版圖： 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 35 圖 局部放大版圖 Figure Local amplification layout 3) CMOS 放大器版圖設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)： 在正式用 LEdit 繪制版圖前，一定要先構(gòu)思每一個(gè)管子打算怎樣安排，管子之間怎樣連接，最后的電源線、地線怎樣走。層與層之間通過接觸孔連接，在可能的情況下適當(dāng)增加接觸孔數(shù)，可確保連接的可靠性。金屬或多晶硅連線越長(zhǎng)，電阻值越大，為防止寄生大電阻對(duì)電路性能的影響，電路中盡量不走長(zhǎng)線。 電路提取（ Extract） 運(yùn)行 LEdit 中 Extract 命令后，可以生成版圖的電路拓?fù)洹?[15] 4) LEdit 中提取的 CMOS 放大器版圖的 TSpice 文件： 圖 TSpice 文件 Figure The TSpice file 由 TSpice 文件可知， CMOS 放大器的版圖由 11 個(gè) MOS 管和 6 個(gè)電容組成，包括6個(gè) NMOS 管（ M M M M M11）、 5 個(gè) PMOS 管（ M M M M M M9）、 1 個(gè)耦合電容（ C4＝ ）和外接 5 個(gè)焊盤引起的寄生電容（ C1=C2=C3=C5=C6=250fF），對(duì)照 OrCAD 中各元器件參數(shù)的設(shè)置，符合尺寸要求，可進(jìn)行后續(xù)模擬。 （ 3） TSpice 仿真輸出文件圖 所示： 圖 功耗 Figure power dissipation 由輸出文件知，總功耗為 ，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)功耗小于 100uW 的要求。 （ 3）