【正文】 上正確生產(chǎn)出來的工藝要求，設計規(guī)則就是不管制 造工藝的每一步出現(xiàn)什么樣的偏差都能保證正確制造晶體管和各種連接的一套規(guī)則。工藝設計規(guī)則一般可以歸納為以下幾種類型： 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 29 最小寬度的規(guī)定是為了防止由于工藝制造偏差的存在可能會直接造成的斷線 ，或在局部出現(xiàn)一個大電阻因而在工作時產(chǎn)生大電流等。 天線效應是必須消除的一種效應，天線效應的產(chǎn)生是由于一個小尺寸的 MOS 管的柵極與具有很大面積的導電材料（如第一層金屬或多晶等）連線接在一起，則在進行反刻時，這片導電材料就像一根“天線”，收集離子，使其電位升高，以至 可能擊穿MOS管的柵氧化層，而這種擊穿是不可逆轉的，因而造成了 MOS 管的損壞。 2) MOS 襯底接觸單元： 由于 PMOS 管的襯底要接電源 ,所以需在 N Well 上建立一個歐姆接觸點，其方法為在 N Well 上制作一個 N型擴散區(qū)，再利用 Active Contact 將金屬線接至 N型擴散區(qū)。焊盤的尺寸通常遠大于電路中其他的元件。 輸入與輸出最好分布在芯片的兩端，例如讓信號從左邊輸入，右邊輸出，這樣可以減小輸出到輸入的地磁干擾。該拓撲關系的描述包括：元件和元件相連的節(jié)點清單，或者是節(jié)點和節(jié)點間連接的元件清單。 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 38 2) CMOS 放大器共模輸入： （ 1） TSpice 仿真文件設置如圖 ： 圖 TSpice設置 Figure TSpice settings （ 2） WEdit 幅頻 /相頻特性曲線顯示： 圖 WEdit輸出波形顯示 Figure The WEdit output waveform display 由輸出波形知 V(DB)=，帶寬 =，相位裕度 =54176。的要求。 整個電路的有效面積可能僅僅占整個面積的很小一部分，因而對于芯片中的空閑西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 36 面積，可以盡量設計成電容，利用電容來旁路外界電源和減少地對電路性能的影響。一般信號線 用第一層金屬，信號線交叉的地方用第二層金屬。 有源層（ Active）、多晶硅（ Poly）和第二層多晶硅（ Poly2）都通過接觸孔（ Contact）與第一層家屬（ Metal1）互連。柵寬（ gate_width ）指柵極下有源區(qū)（溝道）的寬度，最小柵寬為 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 31 μ m（ 3λ）。 最小包圍（最小面積）是為了防止由于工藝制約誤差的存在可能造成的斷線等故障。 [12] 工藝設計規(guī)則 雖然每個晶體管的寬度和長度是由電路設計決定的，但版圖中其他大多數(shù)尺寸都要受“設計規(guī)則”的限制。對于已完成原理設計的電路進行版圖設計時，其基本設計流程如圖 所示： 圖 版圖 設計 流程 Figure Layout design process 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 28 在設計版圖時首先要根據(jù)原理電路圖及其所選定的工藝進行合理的布局、布線。滿足設計指標單位增益帶寬大于 2MHz和相位裕度大于 45176。滿足設計指標單位增益帶寬大于 2MHz和相位裕度大于 45176。將該參數(shù)代入電路中，觀察電路性能是否滿足設計指標。由于采用的是 工藝，最小溝道需為 2um。 運算放大器是許多模擬電路及混合信號系統(tǒng)中的主要部分，具有不同復雜水平的運放備用來實現(xiàn)從直流偏置的產(chǎn)生到濾波器的高速放大等功能，運放的設計還提出了一個挑戰(zhàn)，作為電源電壓與 CMOS 工藝的每一個時期的三極管溝道 長度按比例縮小之間的矛盾。許多運算放大器系列都提供單通道、雙通道和四通道三種封裝形式 ,從而為設計提供了最大的靈活性。在處理直流信號方面接近理想運放特性。運算放大器的應用非常廣泛，在不同的場合有不同的放大要求，它可以用來做數(shù)學計算、求解微積分方程等，所以我們研究 CMOS 運算放大器的設計與優(yōu)化是非常有意義的。 [6] CMOS 運算放大器 運算放大器（ 運放）實質上是一種高增益的直流放大器。在結 型場效應管技術成熟后，模擬運算放大器有了質的飛躍，一方面解決了功耗的問題，另一方面通過混合模擬與數(shù)字電路技術，解決了直流小信號直接處理的難題。由 MOS管構成的集成電路稱為 MOS 集成電路，而 PMOS 管和 NMOS 管共同構成的互補型 MOS 集成電路即為 CMOS集成電路（ IC）。 在科學技術與信息同步變革的社會發(fā)展過程中，電視傳播對整個社會的支配影響作用十分明顯。目前常用的 MRI 影像乃是依據(jù)各組織內(nèi)核磁共振訊號所建立的，氫是人體組織中最多的成份，因此 MRI 影像可診斷各種 疾病，包括腦部癌病、水腫、血梗，神經(jīng)的脫鞘與脂肪不正常分布，鐵成份的沉積性疾病、出血，以及心肌不正常收縮等。 IC卡醫(yī)療儀器管理系統(tǒng)集 I C 卡、監(jiān)控、計算機網(wǎng)絡管理于一體，憑卡檢查，電子自動計時計次，可實現(xiàn)充值、打印，報表功能。 相比之下毫米波雷達具有導引精度高、抗干擾能力強、多普勒分辨率高、等離子體穿透能力強等特點；因此其廣泛的用于末制導、引信、工業(yè)、醫(yī)療等方面。 2) 在通信上的應用 集成電路在通信中應用廣泛，諸如通信衛(wèi)星，手機，雷達等，我國自主研發(fā)的“北斗”導航系統(tǒng)就是 其中典型一例。 晶體管，是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調制和許多其它功能。 [1] 集成電路的發(fā)展 集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程，以下以時間順序，簡述一下它的發(fā)展過程。因此 CMOS運放成為了研究熱點。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位 論文。 關鍵詞 ： CMOS、運算 放大器、電路模擬、版圖設計。 1997 年： 300MHz 奔騰Ⅱ問世 ,采用，奔騰系列芯片的推出讓計算機的發(fā)展如虎添翼，發(fā)展速度讓人驚嘆。 集成電路應用領域 1) 在計算機的應用 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)，電子計算機發(fā)展進入了第四代。前不久，我國已成功發(fā)射了第二代北斗導航試驗衛(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，我國自主衛(wèi)星定位導航正在由試驗向應用快速發(fā)展。 3) 在醫(yī)學上的應用 隨著社會的發(fā)展和科學技術的不斷進步，人們對醫(yī)療健康、生活質量、疾病護理等方面提出了越來越高的要求。在非心臟的外科手術患者中合并有心動過緩及傳導阻滯者，在圍手術期可因為麻醉、藥物及手術的影響，加重心動過緩及傳導阻滯，增加了手術風險，限制了外科手術的開展，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期的安全性。手機、電視、數(shù)碼相機、攝像機等都與我們的生活關系越來越近。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。 CMOS 的特點是低功耗。 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 12 運算放大器最早設計出來是用來進行加、減、乘、除的運算，同時也是模擬計算機的基本構建模塊。 CMOS 運算放大器具有可靠性高，成本低、調試方便，在各個領域的電子電路中的應用都非常廣泛。典型開環(huán)輸入阻抗在 10^ 12 歐姆數(shù)量級。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。 [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?。 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 15 CMOS 運算放大器的設計流程一般包括：根據(jù) 電路特性要求選定電路結構、電路模擬、版圖設計、版圖驗證等 電路模擬：根據(jù)設計要求的性能指標及電路結構，用 OrCAD 軟件對電路進行直流、交流、瞬態(tài)分析，并進行性能分析，初步確定各間的寬長比（ W/L），再對電路中各級間 的 W/L 進行優(yōu)化設計，確定滿足性能的 W/L。則 p2至少要大于 ） 最大共模電壓 V=VDD— 5I??— |VTO3|Vmax+VT|Vmin 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 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一步提高增益。 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 電路調試圖 Figure Debugging the circuit diagram 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 19 對 vb 進行參數(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 進行參數(shù)掃描，觀察其幅頻特性曲線，發(fā)現(xiàn)當 vb＝ 時，電路性能最優(yōu)。 2) CMOS 放大器共模輸入 （ 1） 靜態(tài)工作點的顯示 v inv ref781. 8m Vv ddM6pm osW = 44uL = 18u0A2. 626uA2. 626uA884. 9f Av inout 1781. 8m VV31Vac0 0A00C23pF4. 125VC11. 1pM5pm osW = 9uL = 5u0A2. 131uA2. 131uA2. 161pA5VV117. 04uA0VV D BOutM 1ppapm osL = 3uW = 30u0A12. 28uA12. 28uA973. 0f AM3nm osW = 8uL = 5u1. 066uA0A1. 066uA791. 8f AM9nm osW = 3uL = 5u4. 113pA0A4. 158pA8. 270pA5. 000Vv ref781. 8m V4. 037V0v dd781. 8m V781. 8m VM2pm osW = 20uL = 3u0A1. 066uA1. 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)工作點顯示 Figure The static working point display 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 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 F