【正文】 在集成電路中的應(yīng)用非常廣泛， 它是 由 偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí) 組成的高增益模擬集成電路 。 集成電路 按 制造工藝 的不同 可分為三種：雙極型工藝， MOS 工藝和 BiCMOS工藝。 MOS 集成電路 由于 靜態(tài)功耗 很低 ，電源電壓范圍 較寬 、電壓輸出擺幅 寬 ，而且集成度高 ，可 與 TTL 電路兼容 等優(yōu)點(diǎn) ， 所以 CMOS 工藝使用廣 泛 。 較 CMOS 工藝 ， BiCOMS 工藝 的 工藝流程 相對(duì) 比較復(fù)雜， 但是 以 CMOS 工藝為基礎(chǔ)的 BiCMOS 工藝 不僅能夠 很好的保證雙極型器件的 高 性能 ，而且 這種工藝可以制造出高精度的電容和電阻 。 一般而言，高精度 的集成 運(yùn)放主要 應(yīng)用于 測(cè)試 與 測(cè)量 等精密 儀 器 、汽車電子 產(chǎn)品 以及工業(yè) 生產(chǎn)的 控制系統(tǒng)等 方面； 高速 集成運(yùn)算放大器 主要用于通信 與 視頻 設(shè)備以等 方面的 產(chǎn)品；低電壓 /低功耗 的集成 運(yùn)放主要 應(yīng)用于 手機(jī)、 PDA 等便攜式電子產(chǎn)品 。 2 電壓型集成 運(yùn)算放大器 是一種放大倍數(shù) 很大 的直接耦合放大器 ， 目前 在電子市場(chǎng) 廣泛應(yīng)用 。可實(shí)現(xiàn)的 信號(hào)運(yùn)算 有加法運(yùn)算 、減 法運(yùn)算 、乘 法運(yùn)算 、除 法運(yùn)算 、對(duì)數(shù)數(shù)運(yùn)算 、反對(duì)數(shù) 運(yùn)算 、平方 運(yùn)算 、開方 運(yùn)算 等 ； 利用集成運(yùn)算放大器 還可以 非常方便的完成 對(duì)輸入 信號(hào) 的 放大 以及 信號(hào)的處理 ，如 波形的產(chǎn)生和變換 ，以及 濾波 和 調(diào)制 等 。 隨著集成電路的發(fā)展， 每一代的電子 產(chǎn)品 在 硅 晶片上集成越來(lái)越多 器件，以實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多 的功能，集成 規(guī)模 越來(lái)越 大 的模擬電路。 隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì) 每一代新 的 電子 產(chǎn)品 的 產(chǎn)生和生產(chǎn) 都提出了 更 新 和 更高的 要求，因此，需要 人們不斷努力，在集成電路的里程中不斷創(chuàng)造新的輝煌！ 我選擇以研究運(yùn)算放大器作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，一方面是想全面利用在大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)做好設(shè)計(jì)，為大學(xué)畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)；另一方面是想借此機(jī)會(huì)鍛煉自己的工作能力，為以后的工作做好扎實(shí)的基礎(chǔ)。以雙極型晶體管為主的放大電路，只能滿足較低的性能要求。 集成 電路 的發(fā)展十分迅速。 了解各類集成運(yùn)放的特點(diǎn) 以及 它們的 各項(xiàng) 技術(shù)指標(biāo) ，以方便 在工作中能夠根據(jù) 所要實(shí)現(xiàn)的功能 要求正確地選用 運(yùn)算放大器 。第二代 集成運(yùn)放 的特點(diǎn)是采 3 用有源負(fù)載， 這樣一來(lái)可以 在不增加放大級(jí)的情況下獲得 較 高的開環(huán)增益。 同時(shí) 電路中還有短路保護(hù) 模塊 ， 可以有效 防止過(guò) 電 流 對(duì)電路 造成損壞。在版圖設(shè)計(jì)方面，輸入采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，使超 β管產(chǎn)生的溫漂 互相 抵消，因此在 輸入 失調(diào)電壓、 輸入 失調(diào)電流 、共模抑制比 、開環(huán)增益和溫漂等方面的 性能 指標(biāo)都得到 很大的 改善。輸入級(jí)采用 MOS 場(chǎng)效應(yīng) 晶體 管， 這樣使得 輸入電阻 可達(dá)到很高值 ， 同時(shí)運(yùn)用 調(diào)制和解調(diào) 技術(shù)形成 自穩(wěn)運(yùn)算放大器，使 得輸入 失調(diào)電壓和溫漂進(jìn)一步降低。 例如 高精度 型 集成運(yùn)放的特點(diǎn) 是 漂移和噪聲很低， 并且 共模抑制比 和 開環(huán)增益很高， 這樣在很大程度上 減小 了 集成運(yùn)放的誤差， 是電路 達(dá)到很高的精度 要求； 低功耗型集成運(yùn)放的靜態(tài)功耗比通用型 集成運(yùn)放 一般低 1～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，要求的電源電壓很低， 這樣 不僅 電路的 靜態(tài)功耗低，而且能獲得較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比等 ，使電路 保 持良好性能 ； 高阻型集成運(yùn)放通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí) ，在帶通濾波器以及某些信號(hào)源 等 內(nèi)阻很高的電路中，需要使用高輸入電阻的運(yùn)算放大器，以減小對(duì)被測(cè)電路的影響 ； 高壓型集成運(yùn) 放的特點(diǎn)是輸出電壓 波 動(dòng)態(tài)范圍大，電源電壓高， 因此電路 的功耗也 很 高 ； 高速型集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)是在大信號(hào)工作狀態(tài)下具有 很好 的頻率特性 ， 在 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器、濾波器、高速采樣－保持電路和比較器等電路中，要求集成運(yùn)放具有較快的轉(zhuǎn)換速率以獲得較短的過(guò)渡時(shí)間來(lái)保證電路的精度 ； 大功率型集成運(yùn)放在提供較高的輸出電壓的同時(shí)，還能 提供 較大的輸出電流， 這樣 在 負(fù)載上可以得到較大的輸出功率。 有關(guān)人士認(rèn)為 通訊 系統(tǒng) 和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備 的 市場(chǎng)已經(jīng)逐步發(fā)展起來(lái) ， 在 未來(lái) 的 幾年 內(nèi)， 這 些 設(shè)備在 全球的需求 會(huì)有很大增長(zhǎng)。 ” 4 從 實(shí)際的 應(yīng)用角度 來(lái)看 ，不同的 應(yīng)用 系統(tǒng)對(duì) 集成 運(yùn)放 有著 不同 的性能 要求，選擇合適的 集成 運(yùn)放對(duì)于 實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng) 特定功能的 設(shè)計(jì) 非常 重要。 近年來(lái)消費(fèi)電子、通訊等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展對(duì) 集成運(yùn)算放大器 的性能指標(biāo)提出了更高的要求 ，低功耗以及良好的匹配 特性 性能都十分重要。 集成電路外接不同的反饋，可以實(shí)現(xiàn)多種功能，例如：用于放大器（如直流放大，交流放 大，積分放大和對(duì)數(shù)放大等）；用于模擬運(yùn)算（如加法器，減法器，積分器，微分器等）；用于振蕩器（如正弦振蕩器，多諧振蕩器等）；用于有源濾波器（如高通濾波器，低通濾波器，帶通濾波器和帶阻濾波器等）。在第一章，我主要介紹了集成運(yùn)算放大器的發(fā)展及其前景。 在第二章，我主要以運(yùn)算放大器的電路原理圖為中心。 在第三章，我主要分析了運(yùn)算放大器的版圖設(shè)計(jì)。 在第四章，我大概介紹了 BiCOMS 工藝。其次，我簡(jiǎn)單介紹了 BiCOMS 工藝的主 要流程。更可進(jìn)一步確定軟件模塊及硬件模塊該如何劃分 :哪些功能應(yīng)該劃分到片上系統(tǒng)（ SOC）內(nèi)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其功能 。 設(shè)計(jì)描述和行為級(jí)驗(yàn)證 功能設(shè)計(jì)完成后，可以依據(jù)功能將 SOC 劃分為若干功能模塊，并決定實(shí)現(xiàn) 這些功能將要使用的 IP 核。決定模塊之后，可以用 VHDL 或Verilog 等硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各模塊的設(shè)計(jì)。 邏輯綜合 確定硬件的設(shè)計(jì)描述語(yǔ)言正確后，可以使用邏輯綜合工具（ synthesizer）進(jìn)行綜合，即將 VHDL 或 Verilog 語(yǔ)言編寫的行為模型轉(zhuǎn)換為電 路模型。硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)描述文件的編寫格式是決定綜合工具執(zhí)行效率的一個(gè)重要因素。 門級(jí)驗(yàn)證 門級(jí)功能驗(yàn)證是寄存器傳輸級(jí)驗(yàn)證。必須提及的是，這個(gè)階段的驗(yàn)證仿真需要考慮門電路的延遲。布線則指完成各模塊之間互連的連線，其目的是盡量減小連線的長(zhǎng)度和環(huán)線的面積，使電路的延遲和輻射等干擾達(dá)到最小。按功能可分為模擬集成電路即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路 ， 數(shù)字集成電路即對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路 和數(shù)?；旌想娐芳磳?duì)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路三兩大類，其中集成電路運(yùn)算放大器在模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高增益的直接耦合多級(jí)放大電路。適合于組成差動(dòng)電路。 3． 大電容和電感不易制造，多級(jí)放大電路都用直接耦合。常用二極管和三極管組成的恒流源和電流源代替大的集電極電阻和提供微小的偏量電流，二 7 極管用三極管的發(fā)射結(jié)代替。由集成工藝制造的元件，參數(shù)的精度不高，而且器件受溫度的影響比較大，但由于各個(gè)元件都做在同一個(gè)硅片上，距離近，所以電路的對(duì)稱性比較好。由于復(fù)合電路的性能比較好，所以大部分放大電路采用復(fù)合管，其缺點(diǎn)是制作工藝比較復(fù)雜。在集成電路的制作工藝中，有源 器件比無(wú)源器件的制作方便，而且面積小，所以常用有源器件代替無(wú)源器件。在集成電路中，容量大的電容不易制作，而且采用阻容耦合會(huì)使得電路的延遲變大，所以集成運(yùn)算放大器各級(jí)之間一般采用直接耦合的方式。 2. 中間級(jí) ： 主要 作用是 提高 集成 運(yùn)算放大器的電壓增益 ， 可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成 。 4. 偏置電路 ： 主要是向 集成運(yùn)放各級(jí)放大電路 提供合適的偏置電流，以及確定它們 的靜態(tài)工作點(diǎn) 。 當(dāng)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)的時(shí)候，根據(jù)電路的不同連接方式，可以形成比例運(yùn)算電路（包括反比例運(yùn)算電路、同向比例電路和差分比例電路），加法運(yùn)算電路，加法運(yùn)算電路，積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路等。 運(yùn) 算放大器 一般有兩個(gè)輸入端 Pu (同相輸入端 )， Nu （反相輸入端）和一個(gè)輸出端 Ou ， 如圖 所示 。當(dāng)輸入電壓加在 Pu 端和參考電壓端之間 ,此時(shí)輸入電壓與輸出電壓的方向相同。 如圖 ，運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比OU=OA(PUNU)其中，OA是運(yùn)放的低頻開環(huán) 增益（如 100dB，即 100000倍 ). 圖 為了提高放大器的性能，一般會(huì)將放大器的輸出端和反響輸入端短接起來(lái)，形成負(fù)反饋，負(fù)反饋的作用是保證電路工作是的穩(wěn)定性。 集成運(yùn)放電路主要性能指標(biāo) 1. 輸入失調(diào)電壓 IOU 輸入失調(diào)電壓 是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，由于電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)的影響，輸出電壓不為零。 它 表征運(yùn) 算放大器 內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)，一定程度上也反映溫漂的大?。ㄒ话阒挥袔缀练＿@個(gè)指標(biāo)比輸入失調(diào)電壓更重要，因?yàn)檩斎胧д{(diào)電壓可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻 的阻 值使其降為零，輸入失調(diào) 電壓的溫漂 卻無(wú)法 降為零。 4. 輸入失調(diào)電流溫漂 d IOI /dT 輸入失調(diào)電流溫漂是指在 規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量 的 比值。 5. 輸入偏置電流 BI 輸 入偏置電流是指 當(dāng)輸出電壓為零時(shí)， 運(yùn)算放大器的 兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值， 這個(gè)參數(shù) 用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大?。ㄒ话銥?10nA— 1uA）。 7. 最大共模輸入電壓 maxIcU 最大共模輸入電壓是指 保證 運(yùn)算放大器 正常工作 的前提 下，共模輸入電壓的最大值。 8. 開環(huán)差模增益 odA 開環(huán)差模增益是指在運(yùn)算放大器沒有外加 反饋 時(shí) ，輸出 的 電壓 值 與輸入 的 電壓 值之比（一般為 100dB— 140dB）。 它是衡量差放 輸入級(jí)的 對(duì)稱程度 和 運(yùn)算放大器 抑制共模干擾信號(hào)能力的參數(shù)，也可以 用來(lái) 衡量 運(yùn)算放大器 抑制溫漂的能力。 11 10. 差模輸入電阻 idR 差模輸入電阻是指 輸入差模信號(hào)時(shí)， 運(yùn)算放大器 的輸入電阻，即差模輸入 的 電壓 值 與相對(duì)應(yīng)的輸入電流值 之 比 ，可 衡量 放大器向 信號(hào)源索取電流的能力。 12. 轉(zhuǎn)換速率 RS (壓擺率 ) 轉(zhuǎn)換速率是指在額定 負(fù)載 的條件下，輸入一個(gè)大的階躍信號(hào)時(shí)，輸出電壓的最大變化率。 集成運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)流程 1. 確定運(yùn)算放大器的偏置電流。在給定偏置電流時(shí)，增大 MOS 管的寬長(zhǎng)比（一般長(zhǎng)不變，寬增大），則電路的共模抑制比增大，噪 聲減小，電路的匹配性好 ， 增益增大。 3. 確定器件的尺寸。 CMOS 集成運(yùn)放電路的設(shè)計(jì) 建庫(kù) 我們編輯版圖是在 Cadence 軟件中的 Virtuoso Layout Editor 的版圖編輯環(huán)境中來(lái)進(jìn)行版圖的編輯。其編輯結(jié)果如圖 所示： 13 圖 電路原理圖 在這次設(shè)計(jì)中，我采用差動(dòng)放大電路作為運(yùn)算放大器的輸入級(jí)。 2M 、 4M 和 8M 三管的作用是給電路提供合適的直流偏置。 6M 為電流源。 7M 和 14M 組成輸出級(jí)。下來(lái)就可以進(jìn)行電路仿真了 。 電路仿真 Composerschematic 界面中的 Tools→ Analog Artist項(xiàng) 可以打開 Analog Artist Simulation，出現(xiàn)如圖 所示的窗口。我們知道：交流分析是分析電流（電壓）和頻率之間的關(guān)系，因此在參數(shù)范圍選擇時(shí)是選擇頻率。 Tran 分析是分析參量值隨時(shí)間變化的曲線）。 圖 仿真窗口 ※ 仿真的具體步驟 1. 在 Edit Variables 窗口中添加新的變量 ,如是 對(duì)系統(tǒng)變量 (如溫度 )掃描，就略去這一步 。也可以點(diǎn)擊 setup，在 pick name for variables 的彈出菜單中選擇所需掃描的參量（除系統(tǒng)參量外，菜單中所列舉的都是 variables 中設(shè)置的變量）。當(dāng)然我們需要輸出的有時(shí)不僅僅是電流、電壓，還有一些更高級(jí)的。在運(yùn)行模擬之后，這些輸出將會(huì)很直觀的顯示出來(lái)。 ※ 運(yùn)算放大器電路圖的仿真結(jié)果 大信號(hào)和小信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)分別由將一個(gè) 0V 和 5V 脈沖作用到單位增益結(jié)構(gòu)所決定正擺率 和 負(fù)擺率，負(fù)擺動(dòng)的大過(guò)沖是由輸出級(jí)造成的，原因是電路確定的期望擺率 值對(duì)負(fù)載電容充電的電流不足。 16 圖 大信號(hào)上升響 應(yīng) 3. 其大信號(hào)下降響應(yīng)如圖 所示，擺率為 圖 大信號(hào)下降響應(yīng) 4. 其小信號(hào)上升響應(yīng)如圖 所示，擺率為 17 圖 小信號(hào)上升響應(yīng) 5. 其小信號(hào)下降響應(yīng)如圖 所示，擺率為 = V/uS 圖 小信號(hào)下降響應(yīng) 6. 共模輸出范圍如圖 所示，其共模輸出范圍為 。 圖 失調(diào)電壓 8. 相位裕度仿真如圖 所示，相位裕度為 180176。 =110176。 19 圖 相位裕度 9. 增益的 仿真如圖 所示，有圖可得放大器的放大增益約為 86dB。 20 W 確定：對(duì)于長(zhǎng)溝器件，根據(jù)工藝水平先考慮溝道寬度，再根據(jù) W/L 確定 L