【正文】 電路設計 ........................................... 15 電路的 PSpice 模擬及理論計算 ................................... 16 電路結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)調(diào)試 ........................................ 17 電路仿真 ...................................................... 17 4 CMOS 運算放大器版圖設計 .......................................... 27 版圖設計流程 ................................................... 27 工藝設計規(guī)則 ................................................... 28 單元器件的繪制 —— 圖元 ......................................... 29 CMOS 放大器的版圖設計 ........................................ 33 TSpice 仿真 ................................................... 36 5 總結(jié) ............................................................... 40 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 2 參考文獻 .............................................................. 41 致謝 .................................................................. 43 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 3 畢業(yè)設計（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)設計（論文），是我 個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。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(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集 、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包 含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本人授權(quán) 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)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。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 5 CMOS 運算放大器 摘要 ： CMOS全稱 Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互補金屬氧化物半導體，是一種大規(guī)模應用于集成電路芯片制造的原料。 CMOS運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域中應用都相當廣泛，當今 99%的數(shù)字系統(tǒng)采用 CMOS工藝實現(xiàn)。 本文著重論述 CMOS 運算放大器的設計與仿真，論文中主要研究了以下幾方面的關(guān)鍵問題：一、 CMOS運算放大器的電路結(jié)構(gòu)；二、 CMOS運算放大器的電路參數(shù)；三、CMOS運算放大器的 LEdit仿真。 關(guān)鍵詞 ： CMOS、運算 放大器、電路模擬、版圖設計。 two, CMOS operational amplifier。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遠優(yōu)于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應用于電子設備、儀器儀表及電視機、錄像機等電子設備中。 1906 年，第一個電子管誕生； 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)了半導體材料； 1920 年，發(fā)現(xiàn)半導體材料所具有的光敏特性； 1932 年前后，運用量子學說 建立了能帶理論研究半導體現(xiàn)象； 1956年，硅臺面晶體管問世； 1960 年 12 月，世界上第一塊硅集成電路制造成功； 1966年，美國貝爾實驗室使用比較完善的硅外延平面工藝制造成第一塊公認的大規(guī)模集成電路。 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。 [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爭，使集成電路發(fā)揮了它更大的功能，更好的服務于社會。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，很快就不適合發(fā)展的需求，就沒躲過被淘汰的命 運。晶體管很快就成為計算機“理想的神經(jīng)細胞”，從而得到廣西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 8 泛的使用。 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。 計算機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)。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出現(xiàn)在我們面前。 “北斗”導航系統(tǒng)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，與美國 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)星導航系統(tǒng)。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。 近年來 ,隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,雷達技術(shù)有了較大的發(fā)展空間 ,雷達與反雷達的相對平衡狀態(tài)不斷被打破。有源相西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 9 控陣雷達是集現(xiàn)代相控陣理論、超大規(guī)模集成電路、高速計算機、先進固態(tài)器件及光電子技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)物。無論是軍用還是 民用，都對毫米波雷達技術(shù)有廣泛的需求，遠程毫米波雷達在發(fā)展航天事業(yè)上有廣泛的應用前景，是解決對遠距離、多批、高速飛行的空間目標的精細觀測和精確制導的關(guān)鍵手段。 3) 在醫(yī)學上的應用 隨著社會的發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，人們對醫(yī)療健康、生活質(zhì)量、疾病護理等方面提出了越來越高的要求。諸多專家從醫(yī)療健康領域的需求分析入手，從 集成電路技術(shù)的角度對醫(yī)療健康領域的應用的關(guān)鍵技術(shù)（現(xiàn)狀和前景）做了大致的分析探討。在醫(yī)學管理方面 IC 卡醫(yī)療儀器管理系統(tǒng)就是典型代表。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠；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；管理機與智能床有機結(jié)合，分析計次；影像系統(tǒng)自動識別，有效解決病人復查問題；輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理 ，可隨時查閱檔案記錄，統(tǒng)計任意時間內(nèi)的就醫(yī)人數(shù)。在非心臟的外科手術(shù)患者中合并有心動過緩及傳導阻滯者，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阻滯，增加了手術(shù)風險，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。磁振造影儀（ MRI）是利用磁振造影 的原理，將人體置于強大均勻的靜磁場中，透過特定的無線電波脈沖來改變區(qū)域磁場，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)生西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 10 磁矩變化訊號。 身體幾乎任何部位皆可執(zhí)行 MRI檢查，影像非常清晰與細膩，尤其是對軟組織的顯影，不是任何其它醫(yī)學影像系統(tǒng)所能比擬的。 [4] MRI 的優(yōu)點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 檢查在國內(nèi)外十幾年來至今尚未發(fā)現(xiàn)對人體有任何副作用。手機、電視、數(shù)碼相機、攝像機等都與我們的生活關(guān)系越來越近。目前，我國已有手機用戶 5 億多，形成以手機為載體的網(wǎng)站、報紙、出版物等新的文化。各種各樣的手機接連問世，從小靈通到具有攝像功能的高新手機，手機行業(yè)正在以驚人沖擊人們的思維和眼界。由于電視是一種變化多端的實踐、技巧和技術(shù)，于是家庭本身也變成了一種家庭技術(shù)的復雜網(wǎng)絡。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。 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 11 此外，電視傳播對于農(nóng)村家庭的經(jīng)濟發(fā)展、社會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。 MOS 是：金屬 氧化物 半導體結(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。 [5] 1) 電路原理 CMOS 是一種大規(guī)模應用于集成電路芯片制造的原料。 CMOS 的特點是低功耗。 運算放大器 運算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。 1) 運算放大器的發(fā)展歷史 運算放大器的發(fā)展已有 40 余年的歷史，最早的是采用硅 NPN 工藝，后來改進為NPNPNP 工藝 (標準硅工藝 )。 運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)已達到設計者的目的。 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(gòu)建模塊。如今的運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。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。運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。 CMOS 運算放大器具有可靠性高，成本低、調(diào)試方便，在各個領域的電子電路中的應用都非常廣泛。 1 引言 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 13 運算放大器的發(fā)展已有 40 余年的歷史，最早的是采用硅 NPN 工藝，后來改進為NPNPNP 工藝 (標準硅工藝 )。 運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)已達到設計者的目的。 [7] 運算放大器簡介 1) 運算放大器的分類 在標準硅工藝中加 入了 MOS場效應管工藝的運算放大器分為三類。典型開環(huán)輸入阻抗在 10^ 12 歐姆數(shù)量級。 第二類是采用全 MOS 場效應管工藝的模擬運算放大器，它大大降低了功耗，但是電源電壓降低。 第三類是采用全 MOS 場效應管工藝的模擬數(shù)字混合運算放大器 溫度漂移指標目前可以達到 。它的典型開環(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。在家庭領域電視機、固話、移動電話、計算機等等一系列電子產(chǎn)品 99%都要用到運放，所以運西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 14 放的地位非常重要，業(yè)界對運放的研究也下了大功夫。目前的運放主要采用了CMOS、雙極、 BICMOS 等工藝制造。各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。 [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?。 利用 LEdit 軟件進行版圖設計。運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。 本章主要是 對 CMOS 運放進行分析，重點是對 CMOS 運放的分析方法與設計方法進行詳細的研究。 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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，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。版圖設計完成后，再從版圖中提取網(wǎng)表文件（ .spc）。 圖 設計流程 Fig. the design process 3 CMOS 運算放大器電路設計 西南大學本科畢業(yè)論文（設計） 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 ddM2