【正文】 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(kāi)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(kāi)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(jì)） 22 由圖 ：當(dāng)該 CMOS 放大器共模輸入為 時(shí)，開(kāi)環(huán)增益為 ，單位增益帶寬為 ，相位裕度為 55176。 電路仿真 在手工近似計(jì)算后，利用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證、修改和優(yōu)化。 圖 設(shè)計(jì)流程 Fig. the design process 3 CMOS 運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì) 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 電路的 PSpice 模擬及理論計(jì)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(jì)算 根據(jù)近似公式手工計(jì)算：首先確定設(shè)計(jì)的最小溝道長(zhǎng)度。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。目前的運(yùn)放主要采用了CMOS、雙極、 BICMOS 等工藝制造。 第三類是采用全 MOS 場(chǎng)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 。 運(yùn)算放大器基本上是電子電路中最常見(jiàn)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。但是如果集成電路放大器不能滿足電路系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求時(shí)，就會(huì)利用分立原件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的放大器。 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(lái)改進(jìn)為NPNPNP 工藝 (標(biāo)準(zhǔn)硅工藝 )。 MOS 是：金屬 氧化物 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱 MOS 晶體管，有 P 型 MOS 管和 N型 MOS 管之分。各種各樣的手機(jī)接連問(wèn)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。 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(duì)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。有源相西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 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(jì)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。隨著高新技術(shù)的發(fā)展必將會(huì)有越來(lái)越多的高新計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在我們面前。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(méi)躲過(guò)被淘汰的命 運(yùn)。從外觀上看，它已成為一個(gè)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。 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(gè)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(shí)現(xiàn)。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。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 The CMOS operational amplifier Huang Haibin 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China Abstract: The full name of CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor, which is plementary metal oxide semiconductor, is a largescale integrated circuit chip manufacturing raw materials. The characteristics of CMOS technology makes the circuit has low power consumption, because the gate circuit posed of a CMOS MOS in the circuit moments or NMOS conduction, or is the PMOS conduction, or stop, so the efficiency is very high, the power consumption is very low. The CMOS operational amplifier with high reliability, low cost, convenient debugging, in various fields of the electronic circuits are widely used, digital system in 99% with CMOS technology. So the CMOS operational amplifier has bee the hot spot of research. This paper focuses on the design and Simulation of CMOS operational amplifier, this paper mainly studies the key problems in the following aspects: the circuit structure, CMOS operational amplifier circuit parameters。2021 年： intel 酷睿 i系列全新推出，創(chuàng)紀(jì)錄采用了領(lǐng)先的 32納米工藝 ，并且下一代 22 納米工藝正在研發(fā)。第四代計(jì)算機(jī)的基本元件是大規(guī)模集成電路，甚至超大規(guī)模集成電路，集成度很 高的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代了磁芯存儲(chǔ)器，運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百萬(wàn)次，甚至上億次基本運(yùn)算。 將替代“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)國(guó)外芯片的“領(lǐng)航一號(hào)”，還可廣泛應(yīng)用于海陸空交通運(yùn)輸、有線和無(wú)線通信、地質(zhì)勘探、資源調(diào)查、森林防火、醫(yī)療急救、海上 搜救、精密測(cè)量、目標(biāo)監(jiān)控等領(lǐng)域。同時(shí)，依托于高新領(lǐng)域電子技術(shù)的各種治療和監(jiān)護(hù)手段越來(lái)越先進(jìn)，也使得醫(yī)療產(chǎn)品突破了以往觀念的約束和限制，在信息化、微型化、實(shí)用化等方面得到了長(zhǎng)足發(fā)展。 磁振造影儀是一種新型醫(yī)療設(shè)備，對(duì)于治療許多疾病有它獨(dú)特的功效。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，手機(jī)以其獨(dú)特的傳播功能，日益成為人們獲取信息、學(xué)習(xí)知識(shí)、交流思想的重要工具，成為文化傳播的重要平臺(tái)。伴隨著現(xiàn)代社會(huì)節(jié)奏的加快，外界娛樂(lè)費(fèi)用的增漲，電視傳播的普及，已經(jīng)為人們呆在家中提供了充足的理由和條件，足不出戶卻可以感受社會(huì)交談帶來(lái)的人際交際感覺(jué)。由于 CMOS中一對(duì) MOS 組成的門電路在瞬間要么 PMOS 導(dǎo)通、要么 NMOS 導(dǎo)通、要么都截止，比線性的三極管效率要高得多，因此功耗很低。在 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，理想運(yùn)算放大器的用途遠(yuǎn)不止這些計(jì)算。 本文 是 對(duì) CMOS 運(yùn) 算放大器 進(jìn)行 設(shè)計(jì)與仿真 ，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。典型代表是 CA3140。 3) 運(yùn)算放大器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)信息化 社會(huì)在通信領(lǐng)域里，運(yùn)放的使用是 非常廣泛的。 利用電路仿真軟件、設(shè)計(jì)各 MOS管的寬長(zhǎng)比（ W/L）。 根據(jù)電路中各器件的 W/L，利用 LEdit 軟件進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（ DRC）。 當(dāng)各 MOS管均工作在亞閾值區(qū)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)低功耗要求。 Frequency10Hz 100Hz 10KHz 100KHz 10MHz1 VDB(OUT) 2 P(V(Out))40040801 200d150d100d50d0d2 圖 電路調(diào)試圖的幅頻、相頻特性曲線 Figure Debugging the circuit diagram, the amplitude frequency and phase frequency characteristic curve 由圖 ，在外加直流偏置 vb＝ 時(shí)，由輸入放大級(jí)和輸出級(jí)構(gòu)成的 CMOS放大器，其性能基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)：?jiǎn)挝辉鲆鎺挻笥?2MHz 和相位裕度大于 45176。滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)單位增益帶寬大于2MHz 和相位裕度大于 45176。 綜上所述，通過(guò) OrCAD 對(duì)該 CMOS 放大器電路的模擬，電路中各參數(shù)的設(shè)置符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求： 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 單電源電壓： 5V； 共模輸入范圍： ~； 功耗：≤ ； 開(kāi)環(huán)增益：≥ 80dB； 單位增益帶寬：≥ 2MHz； 相位裕度 45176。 LVS 檢查：對(duì)比原理圖與所設(shè)計(jì)的版圖之間的電路連接是否一致。主要體現(xiàn)在多晶硅柵的寬度、鋁線寬度等上。 N+擴(kuò)散區(qū)和有源區(qū)（ Active）共同形成 N 型有源區(qū)， P+ 擴(kuò)散區(qū)和有源區(qū)（ Active）共同形成 P 型有源區(qū)，有源區(qū)分別在柵極兩側(cè)構(gòu)成源區(qū)（ S）和漏區(qū)（ D）。 同理，由于 NMOS 管的襯底要接地，須繪制 N型歐姆接 觸點(diǎn)。 2) CMOS 放大器版圖 ① CMOS 放大器完整版圖如圖 所示： 圖 CMOS放大器版圖 Figure CMOS amplifier layout 版圖面積 =320um 330um，滿足版圖面積 1mm 1mm 的設(shè)計(jì)要求。 對(duì)于高頻信號(hào)，應(yīng)盡量減少寄生電容的干擾，第一層金屬和第二層金屬之間會(huì)形成電容。在簡(jiǎn)化圖里，只有代表元件、節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)的幾何體被保留下來(lái)。的要求。 TSpice 仿真 1) CMOS 放大器共模輸入： （ 1） TSpice 仿真文件設(shè)置如圖 所示： 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 37 圖 TSpice 設(shè)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 =65176。 MOS 管的尺寸（柵長(zhǎng)、柵寬）是有電路模擬時(shí)定下來(lái)的，畫(huà) MOS管時(shí)應(yīng)按照這些