【正文】 了改變。 （1） 瞬態(tài)分析 輸入為1mv時的輸出輸入為10mv時的輸出輸入為100mv時的輸出 輸入為100MV時輸出波形 從上圖可以看出，由版圖提取的網(wǎng)單，PSpice仿真效果在放大倍數(shù)上比原來的網(wǎng)單偏小，但是線性度得到很大改善，在1mv~100mv的范圍內(nèi)放大倍數(shù)都穩(wěn)定在30倍左右，偏差不超過1倍，可見由版圖提取的參數(shù)與原來的網(wǎng)單還是有所差別的。根據(jù)第四章的部分仿真性能參數(shù)進(jìn)行仿真。（4） 仿真時還需要加上激勵和電源，另外如果直接仿真會提示沒有MODEL的錯誤，這時還需要將原來的MOS管模型加上才可以進(jìn)行仿真。（2） 為仿真方便，將所有對地的標(biāo)號改為0。版圖畫好之后，首先進(jìn)行DRC（設(shè)計規(guī)則檢查）無誤之后就可以提取電路網(wǎng)單（見附錄），提取的網(wǎng)單并不能對其直接進(jìn)行仿真來驗證版圖的正確性，還需要對網(wǎng)單進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹? 版圖設(shè)計本實驗中使用Ledit中nhp_n08的設(shè)計規(guī)則，針對本實驗的電路設(shè)計，此規(guī)則下需要使用到的元器件有NMOS、PMOS和電阻R，由于本設(shè)計中可能用到的電阻阻值較大，故選用N阱工藝的電阻R。從版圖設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)果來說，它是由一些規(guī)則的集合圖形組成的，這些圖形分為若干層，每層圖形可以制造成一塊掩模板，不同的掩模板分別用于不同的光刻工藝過程。 Ledit中的版圖設(shè)計 我們知道，集成電路是一層一層的制造出來的，那么作為表示它物理構(gòu)造的版圖自然也使用不同的層來表示電路、器件的結(jié)構(gòu)。版圖畫完后，需要用軟件依據(jù)DRC文件來進(jìn)行“設(shè)計規(guī)則檢查”（Design Rule Check, DRC），以驗證所畫的版圖是否完全符全版圖的設(shè)計規(guī)則。設(shè)計規(guī)則本身并不代表光刻、化學(xué)腐蝕、對準(zhǔn)容差的極限尺寸，它所代表的是容差的要求。但由于版圖的制造精度有限，所以版圖必須滿足一定的要求，這就需要通過版圖設(shè)計規(guī)則來約束。版圖是集成電路物理設(shè)計的結(jié)果，也是整個集成電路設(shè)計的最終結(jié)果，同時是集成電路設(shè)計與制造的唯一聯(lián)系。一個電路盡管在電路圖級的定義和功能都正常，但是如果物理設(shè)計不正確，也會導(dǎo)致失敗。版圖設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品前段設(shè)計線路或文件要求，按照工藝設(shè)計規(guī)則,設(shè)計電路的版圖，并對產(chǎn)品版圖進(jìn)行規(guī)則檢查，電路與版圖匹配檢查；完成用于生產(chǎn)加工的電路最終設(shè)計！ 本章主要討論版圖設(shè)計的有關(guān)基本概念、設(shè)計方法和設(shè)計過程。滿足題目對運(yùn)放設(shè)計的要求。 交流特性反映的是運(yùn)放的增益帶寬積，增益帶寬積越大意味著在相通的增益下運(yùn)放的帶寬更大，這樣對于寬頻率小信號有更好的放大效果。由網(wǎng)單中顯示的輸出阻抗可以分析運(yùn)放的驅(qū)動能力，從上圖可以看出，這個運(yùn)放的輸出阻抗相對較大，對下一級的驅(qū)動能力不足，這主要是在第二級設(shè)計的時候MOS管的溝道寬度較小，若在放大倍允許的情況下加大第二級MOS管的溝道寬度，這樣就可以減小放大器的輸出阻抗，從這點也可以分析出，第一級提供足夠的放大倍數(shù)對整個運(yùn)放的設(shè)計尤為重要。 運(yùn)放的輸出阻抗大小可以反映運(yùn)放的帶負(fù)載能力，利用PSPICE中的TF函數(shù)可以直接得到運(yùn)放的輸出阻抗。 100mv 時溫度特性 10mv時的溫度特性 100mv、10mv時的溫度特性分析由圖可以看出，在輸入信號為10mv時，輸出電壓在45度時的曲線與其他溫度下的輸出差距較大。但是在信號輸入1mv~100mv中，運(yùn)放的放大倍數(shù)有所不同，中間放大倍數(shù)相差約為6倍，線性度基本可以接受，但是仍需改善。以下個圖分別為輸入為1MV\10MV\100MV時第一級和第二級輸出級的電壓波形。 采用實驗提供的MOS管模型，運(yùn)用PSPICE軟件工具對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，運(yùn)放的電源電壓VDD取5V，環(huán)境溫度為25度，代碼在附錄中給出。使用有源負(fù)載的源跟隨電路如圖所示： 源輸出級電路 整體電路 綜合以上，在設(shè)計時，為了更方便地得到各個偏置電壓的大小，首先使用偏置直流電源代替偏置電壓，得到偏置電壓大小后再來確定，MOS管分壓所需的寬長比例，這里的網(wǎng)單將在附錄中給出，最終得到整體的電路圖如下： 整體運(yùn)放電路圖第四章 運(yùn)放參數(shù)的模擬與測量 前面從理論上完成了電路的設(shè)計，要最終完成運(yùn)放電路的設(shè)計，需要對所設(shè)計的運(yùn)放電路進(jìn)行反復(fù)的仿真和測試，這些工作是必不可少的。本電路處于簡化電路的角度，采用了MOS管直接分壓來提供偏置電路。 電流鏡電路 模擬電路設(shè)計的一個最重要的部分是偏置電路，偏置電路的目的是為了確定晶體管的合適DC靜態(tài)工作點，確定了合適的直流靜態(tài)工作點后就可以確定穩(wěn)定的、可以預(yù)測的DC漏極電流以及DC漏極電壓，以確保輸入信號工作在飽和區(qū)。 本設(shè)計采用性能較好的穩(wěn)控性共源共柵電流源。 套筒式的共源共柵結(jié)構(gòu)電流鏡遵循的原理是：如果兩個相同MOS管的柵源電壓相等，那么溝道電流也應(yīng)該相等。但是考慮到對運(yùn)算放大器的具體要求該運(yùn)算放大器的具體要求主要在小信號范疇，而且增益在10MHz信號輸入時只有30倍的要求。 共源共柵差動對 輸入級設(shè)計 綜合考慮采用共源共柵放大+共源跟隨輸出緩沖的結(jié)構(gòu)，套筒式的共源共柵結(jié)構(gòu)，雖然頻率特性較好，又因為它只有兩條主支路，所以功耗比較小。（3） 為了盡量降低功耗，第一級電路選用折疊式共源共柵運(yùn)放結(jié)構(gòu)，輸出級用簡單的共源跟隨器，從而提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力； （4） 兩級結(jié)構(gòu)需要采用頻率補(bǔ)償技術(shù)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而補(bǔ)償電路是必不可少的。不論那種結(jié)構(gòu)，雙端輸出比單端輸出帶寬更寬(沒有“鏡像極點”)。本CMOS運(yùn)放的設(shè)計的性能指標(biāo)如下表所示： 性能參數(shù) 參數(shù)描述設(shè)計值 電源電壓 5V 工作溫度0~50度輸出形式 差分輸出 幅值增益 （1~100mv的10MHz信號）30倍單位增益帶寬 大于500MHz 共模抑制比80db 輸出擺幅正負(fù)3V 建立時間小于100ns 轉(zhuǎn)換速率大于150V/us 運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)主要有三種：（A）簡單兩級運(yùn)放，two_stage；（B）折疊共源共柵，folder_cascode；（C）共源共柵，telescopic，以下為各主要形式運(yùn)放的對比： 各類運(yùn)放結(jié)構(gòu)對比 增益 擺幅 速度 功耗 噪聲 套筒式共源共柵 中 中 高 低 低 折疊式共源共柵 中 中 高 中 中 兩極運(yùn)放 高 高 低 中 低 增益提高運(yùn)放 高 中 中 高 中 折疊式運(yùn)放與套筒式運(yùn)放相比，輸出擺幅相對較大(比套筒式運(yùn)放少折疊一個MOS管)，這是以較大功耗、較小的增益、較小的帶寬和較大的噪聲獲得的。4. 全差分形式可以較好的抑制諧波失真的偶數(shù)階項。此外，互補(bǔ)的輸出信號除了可以使運(yùn)放的輸出擺幅變大一倍之外，還使得運(yùn)放的增益可以提高大約6db，從而可以在低電源電壓下實現(xiàn)高增益和寬擺幅輸出。然而，相對于單端輸出的運(yùn)放來說，其噪聲特性還是有較明顯改善的。在實際電路中，外部噪聲對不同的信號通路的影響不可能是完全相同的。所謂全差分運(yùn)放，指的是輸入輸出均為差分形式的運(yùn)算放大器。 補(bǔ)償電路——在運(yùn)算放大器中加負(fù)反饋，用以保持整個電路工作的穩(wěn)定。輸出級——輸出級一般由源極跟隨器或推挽放大器組成，用于降低輸出阻抗，維持大的信號擺幅。輸入級——主要作用是放大差模輸入信號，由差分放大電路組成，有時會提供一個差分到單端的轉(zhuǎn)換，利用它的對稱性可以提高整個電路的共模抑制比，可以改善噪聲和失調(diào)性能，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并具有溫度漂移下、級間易直接耦合。最常用的運(yùn)算放大器之一是兩級運(yùn)算放大器，下圖為最常用的兩級運(yùn)算放大器的框圖。對運(yùn)算放大器最主要的一個要求是有一個足夠大的開環(huán)增益以符合負(fù)反饋的概念。運(yùn)算放大器是具有足夠正向增益的放大器（受控源），當(dāng)加負(fù)反饋時，閉環(huán)傳輸函數(shù)與運(yùn)算放大器的增益幾乎無關(guān)。：MOSFET的小信號模型 上圖列出手工設(shè)計時的簡化等效電路模型，各參數(shù)定義如下：柵襯底電容和源襯底電容；、 、柵漏電容； 飽和區(qū)跨導(dǎo)： 令 可以表示為： 輸出電阻為： 輸出電阻影響模擬電路的許多特性，例如，它限制著大多數(shù)放大器的最大電壓增益。 MOSFET的小信號模型 當(dāng)NMOS管在直流偏置作用下工作于飽和區(qū)時，其交流小信號等效模型如下圖所示，在電路計算中，由MOS管的大信號模型算出電路的靜態(tài)工作點后，就必須由小信號等效模型來分析電路。根據(jù)上式可求得MOSFET在飽和區(qū)靜態(tài)工作點處的小信號跨導(dǎo)： 或者 可見MOSFET的飽和區(qū)的跨導(dǎo)不僅與它的工作電流有關(guān)，而且可通過選擇器件尺寸加以改變。在飽和區(qū)，MOS器件的漏極電流和柵源電壓的關(guān)系由下式?jīng)Q定： 式中uN為NMOS溝道中電子遷移率，COX為柵氧化區(qū)單位面積電容，W為有效溝道寬度，L是有效溝道長度，KN為NMOS管的導(dǎo)電因子。當(dāng)時，器件飽和區(qū)，這里的，與分別指MOS管的漏源電壓、柵源電壓和閾值電壓。 MOS器件基本特性 MOSFET的結(jié)構(gòu)和大信號特性 下面為N溝道增強(qiáng)型MOS管的剖面圖及其輸出特性曲線。如下圖“模擬電路設(shè)計八邊形法則”所示，這樣的折衷選擇、互相制約對高性能放大器的設(shè)計提出了許多難題，要靠理論和經(jīng)驗才能得到一個較佳的折衷方案。事實上，沒有運(yùn)放能達(dá)到以上所有的特性。為了滿足所有的設(shè)計指標(biāo)，這兩個設(shè)計步驟需要重復(fù)的進(jìn)行。首先，尋找可行的結(jié)構(gòu)，如果選擇的結(jié)構(gòu)不符合要求，則需要修改結(jié)構(gòu)或重新設(shè)計。它運(yùn)行在 PC 平臺，用于 FPGA 、 PCB 和Cadence、OrCAD、PSpice設(shè)計應(yīng)用中，它是業(yè)界第一個真正基于 Windows 環(huán)境的線路圖輸入程序，易于使用的功能及特點已使其成為線路圖輸入的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其最大的特點是速度快、功能強(qiáng)、使用方便和分層設(shè)計。LEdit中的層與掩膜生產(chǎn)過程相關(guān)聯(lián)，不同的層能被方便地顯示為不同的顏色和樣式，并且每層間相互獨(dú)立。被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計算機(jī)輔助教學(xué)。于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)輔助設(shè)計小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機(jī)輔助設(shè)計。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 CMOS運(yùn)算放大器的設(shè)計 畢業(yè)設(shè)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(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)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(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。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（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（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（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