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1、论文题目: Bi-CMOS集成运算放大器的电路分析及版图设计摘 要集成运算放大器是一种重要电子元器件，在电子产品中得到广泛应用,可作为误差放大器、比较器、滤波器等。理想的放大器应该无噪声、具有无穷大增益和输入阻抗、无穷小输出阻抗以及零失调电压等。在这篇论文中，我本文主要研究了运算放大器电路的工作原理和版图设计，同时还了简要解了Bi-CMOS工艺步骤。运算放大器电路主要包括输入级、偏置电路、中间级和输出级，输入信号加载到输入级并在合适的偏置下通过输出级得到放大信号。版图设计主要是熟悉设计规则，布局布线合理美观，并要进行DRC验证和LVS验证。Bi-CMOS工艺可满足现代大规模集成电路对器件性能的
2、要求，特别适用于高压和大电流的功率电路，在今后的高性能集成电路中有很大的发展潜力。通过本次毕业设计，我完成了一个增益为86dB,输出共模范围为3.5V，失调电压为6.5mV，摆率较小的放大器电路设计。绘制出了放大器的版图，并且通过了进行DRC验证和LVS验证。关键词：放大器,电路,版图,工艺Subject: Analysis and layout design of CMOS integrated OPAbstractIntegrated operational amplifier is an important electronic components, it is used in ele
3、ctronic applications is very extensive currently, for example, it can be used as amplifiers, comparators, filters, etc. The ideal amplifier should without noise, has infinite gain and input impedance, infinite output impedance and zero offset voltage.In this paper, I mainly study the works of the op
4、 amp circuit principle and layout design, and also study briefly the solution of the Bi-CMOS process steps. The op amp circuit including the input stage, bias circuit, the middle stage and output stage. The input signal is loaded into the input stage and output stage amplifies the signal in the righ
5、t bias. Layout design main is familiar with the design rules, the layout wiring reasonable and beautiful, and must carry on the DRC validation and LVS verification. Bi-CMOS technology to meet the requirements of modern LVSI device performance, especially suitable for high voltage and high current po
6、wer circuit, there is great potential in future high performance integrated circuits.By the graduation project, I completed a gain of 86dB; the output common-mode range is 3.5V, the offset voltage of 6.5mV, smaller slew rate amplifier circuit design. Map out the territory of the amplifier, and throu
7、gh the DRC verification and LVS verification.Keywords: Amplifier, Circuit, Layout, Process目 录第一章 绪论11.1 集成运算放大器研究的目的和意义11.2 集成运算放大器的发展与前景21.3 本文的主要研究内容4第二章 CMOS运算放大器电路的理论知识52.1 集成电路的设计流程52.1.1 功能设计阶段52.1.2 设计描述和行为级验证52.1.3 逻辑综合52.1.4 门级验证62.1.5 布局和布线62.2 CMOS运算放大器电路的特点62.2.1 集成电路的特点62.2.2 集成运放电路的组成及
8、各部分的作用72.3 CMOS运算放大器的设计原理82.3.1 集成运放电路基本原理82.3.2 集成运放电路主要性能指标92.3.3 集成运放电路的设计流程112.4 CMOS集成运放电路的设计112.4.1 建库112.4.2 CMOS集成运放的电路图132.4.3 CMOS集成运放的电路图仿真132.4.4 CMOS集成运放的参数计算19第三章 CMOS运算放大器后端设计223.1 版图的设计流程223.1.1 整体设计233.1.2 分层设计233.1.3 版图检查233.1.4 寄生参数的提取和后仿真243.1.5 版图的整体检查243.1.6 完成版图253.2 编辑版图253.2
9、.1 建立版图单元253.2.2 建立底层单元253.2.3 编辑电路版图293.3 版图验证的具体过程313.3.1 DRC验证323.3.2提取Extract文件343.3.3 LVS验证35第四章 Bi-CMOS工艺374.1 Bi-CMOS工艺的结构特点374.2 Bi-CMOS工艺的发展与应用374.3 Bi-CMOS工艺的分类384.3.1 以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺384.3.2 以双极型工艺为基础的Bi-CMOS工艺394.4 Bi-CMOS工艺的工艺步骤39第五章 总结45致 谢47参考文献48附录（DRC验证规则）49第一章 绪论集成运算放大器(Operati
10、onal Amplifier,缩写为OP)，它是带深度负反馈并由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路，其特点是增益很大（可达60dB -180dB），输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高（60 dB -170dB），失调电压小，温度漂移小，可用于正信号和负信号的输入与输出。因为其成本低，功能强大，性能好等优点，所以广泛应用于日常生活、工业生产以及高科技等各个方面。1.1 集成运算放大器研究的目的和意义集成运算放大器在集成电路中的应用非常广泛，它是由偏置电路、输入级、中间级和输出级组成的高增益模拟集成电路。理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压等。
11、集成电路按制造工艺的不同可分为三种：双极型工艺，MOS工艺和Bi-CMOS工艺。双极工艺是早期使用的工艺，凭借其高速度、低噪声以及较高的电流驱动能力等方面的优势，发展速度很快，目前主要的应用领域是模拟集成电路和超高速集成电路。MOS集成电路由于静态功耗很低，电源电压范围较宽、电压输出摆幅宽，而且集成度高，可与TTL电路兼容等优点，所以CMOS工艺使用广泛。随着集成电路规模的不断扩大，以及模拟集成电路与数字集成电路的工艺的兼容要求，现今的集成电路的主流技术仍然是CMOS技术。较CMOS工艺，Bi-COMS工艺的工艺流程相对比较复杂，但是以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺不仅能够很好的保证双
12、极型器件的高性能，而且这种工艺可以制造出高精度的电容和电阻。因此Bi-CMOS工艺在今后的超大规模集成电路中有不可估量的价值。一般而言，高精度的集成运放主要应用于测试与测量等精密仪器、汽车电子产品以及工业生产的控制系统等方面；高速集成运算放大器主要用于通信与视频设备以等方面的产品；低电压/低功耗的集成运放主要应用于手机、PDA等便携式电子产品。通用的集成运算放大器应用最为广泛，大部分需要简单信号的放大或信号的调节等电子系统都可以实用通用的集成运放。电压型集成运算放大器是一种放大倍数很大的直接耦合放大器，目前在电子市场广泛应用。当这种集成电路的输入与输出接不同的反馈网络时，可以实现不同功能的电路
13、。可实现的信号运算有加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算、对数数运算、反对数运算、平方运算、开方运算等；利用集成运算放大器还可以非常方便的完成对输入信号的放大以及信号的处理，如波形的产生和变换，以及滤波和调制等。集成运算放大器的种类非常多，可以根据不同的使用场合以及功能要求选择不同类型的集成运算放大器。 随着集成电路的发展，每一代的电子产品在硅晶片上集成越来越多器件，以实现越来越多的功能，集成规模越来越大的模拟电路。随着数字集成电路的广泛应用，模拟集成电路的应用也会相应增加，实现数据转换和接口的功能。随着社会的进步和科学技术的发展，人们对每一代新的电子产品的产生和生产都提出了更新和更高的要求
14、，因此，需要人们不断努力，在集成电路的里程中不断创造新的辉煌！我选择以研究运算放大器作为毕业设计，一方面是想全面利用在大学所学的专业知识做好设计，为大学画上一个圆满的句号；另一方面是想借此机会锻炼自己的工作能力，为以后的工作做好扎实的基础。1.2 集成运算放大器的发展与前景最早生产的放大器只能用于直流放大，其交流放大性能很差。以双极型晶体管为主的放大电路，只能满足较低的性能要求。随着电子科学技术的发展，出现了大规模集成电路，其性能指标大大提高，甚至接近于理想值。集成电路的发展十分迅速。通用的集成运算放大器经历了四代发展更替，同时，发展了应用于特殊需要场合的专用型集成运放，其各项技术指标不断的改
15、进以提高运放的性能。了解各类集成运放的特点以及它们的各项技术指标，以方便在工作中能够根据所要实现的功能要求正确地选用运算放大器。下来简单介绍一下集成运放的发展：第一代集成运放基本上运用数字集成电路的制造工艺，另一方面也采用一些如横向PNP管等特殊元件、共模负反馈、小电流恒流源等电路，它们基本上能够达到中等精度的要求。第二代集成运放的特点是采用有源负载，这样一来可以在不增加放大级的情况下获得较高的开环增益。两级放大电路使防止自激的校正措施变得比较简单。同时电路中还有短路保护模块，可以有效防止过电流对电路造成损坏。第三代集成运放的特点是输入级采用了超管，使反向饱和电流、功耗等各项参数值下降。在版图
16、设计方面，输入采用对称设计，使超管产生的温漂互相抵消，因此在输入失调电压、输入失调电流、共模抑制比、开环增益和温漂等方面的性能指标都得到很大的改善。第四代集成运放的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。输入级采用MOS场效应晶体管，这样使得输入电阻可达到很高值，同时运用调制和解调技术形成自稳运算放大器，使得输入失调电压和温漂进一步降低。较之通用型集成运算放大器，专用型集成运放通常在某些单项指标的要求比较高。例如高精度型集成运放的特点是漂移和噪声很低，并且共模抑制比和开环增益很高，这样在很大程度上减小了集成运放的误差，是电路达到很高的精度要求；低功耗型集成运放的静态功耗比通用型集成运放一般低1
17、2个数量级，要求的电源电压很低，这样不仅电路的静态功耗低，而且能获得较高的开环差模增益和共模抑制比等，使电路保持良好性能；高阻型集成运放通常利用场效应管组成差分输入级，在带通滤波器以及某些信号源等内阻很高的电路中，需要使用高输入电阻的运算放大器，以减小对被测电路的影响；高压型集成运放的特点是输出电压波动态范围大，电源电压高，因此电路的功耗也很高；高速型集成运放的主要特点是在大信号工作状态下具有很好的频率特性，在A/D和D/A转换器、滤波器、高速采样保持电路和比较器等电路中，要求集成运放具有较快的转换速率以获得较短的过渡时间来保证电路的精度；大功率型集成运放在提供较高的输出电压的同时，还能提供较
18、大的输出电流，这样在负载上可以得到较大的输出功率。从市场需求方面来看，全球对集成运算放大器的需求都保持增长的趋势，尤其是在消费方面和通讯设备领域。有关人士认为通讯系统和网络基础设备的市场已经逐步发展起来，在未来的几年内，这些设备在全球的需求会有很大增长。而这些应用需求主要是高速，大驱动器，低噪声以及低输入等高性能的集成运放。”从实际的应用角度来看，不同的应用系统对集成运放有着不同的性能要求，选择合适的集成运放对于实现系统特定功能的设计非常重要。对于通信系统、高速测量仪器以及超声波设备等以高速特性为主的系统，集成运放的交流特性至关重要，衡量系统在交流特性方面的主要参数有失真率、信号带宽以及噪声等
19、；对于对速度没有过高的要求却以高精度为主的系统，集成运放的直流特性更为重要，衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、输入偏置电流、开环增益以及共模抑制比等。近年来消费电子、通讯等应用领域的发展对集成运算放大器的性能指标提出了更高的要求，低功耗以及良好的匹配特性性能都十分重要。在诸多因素的推动下，运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。集成电路外接不同的反馈，可以实现多种功能，例如：用于放大器（如直流放大，交流放大，积分放大和对数放大等）；用于模拟运算（如加法器，减法器，积分器，微分器等）；用于振荡器（如正弦振荡器，多谐振荡器等）；用于有源滤波器（如高通滤波器，低通滤波器，
20、带通滤波器和带阻滤波器等）。1.3 本文的主要研究内容在这篇论文中，我总共分为四章内容。在第一章，我主要介绍了集成运算放大器的发展及其前景。集成电路经过几十年的发展，现已发展成满足人们需求的高速度，低功耗，高集成度的高性能技术。在第二章，我主要以运算放大器的电路原理图为中心。首先介绍了电路图的各部分功能及作用；下来我介绍了运算放大器的主要性能参数；紧接着我介绍了电路图的一些参数仿真结果，在参数方面我主要分析了放大器的放大增益。在第三章，我主要分析了运算放大器的版图设计。其中我主要介绍了版图的画法，在Cadence软件中进行版图设计的具体步骤以及需要注意的地方；画完版图后，须进行版图的几何验证即
21、DRC验证以及版图和电路原理图的对应验证即LVS验证。在第四章，我大概介绍了Bi-COMS工艺。首先简单介绍了一下双极性工艺，CMOS工艺以及Bi-COMS工艺，并进行了对比，已体现出Bi-COMS工艺的优点。其次，我简单介绍了Bi-COMS工艺的主要流程。第二章 CMOS运算放大器电路的理论知识2.1 集成电路的设计流程2.1.1 功能设计阶段设计人员需要根据产品的应用场合，根据一些诸如功能、性能要求、工作环境以及功耗等规格，明确电路设计时的大致方向。更可进一步确定软件模块及硬件模块该如何划分:哪些功能应该划分到片上系统（SOC）内，通过软件实现其功能;哪些功能可以设计在电路里，通过硬件实现
22、。 2.1.2 设计描述和行为级验证 功能设计完成后，可以依据功能将SOC划分为若干功能模块，并决定实现 这些功能将要使用的IP核。这个阶段的设计将接影响了SOC 内部的构架及各模块之间的相互联系，还有设计出来产品的稳定性。决定模块之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功能验证（function simulation，或行为验证 behavioral simulation）。2.1.3 逻辑综合 确定硬件的设计描述语言正确后，可以使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合，即将VHDL 或V
23、erilog 语言编写的行为模型转换为电路模型。在综合过程中，需要选择合适的逻辑器件库（logic cell library），以作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编写格式是决定综合工具执行效率的一个重要因素。逻辑综合后得到门级网表。 2.1.4 门级验证 门级功能验证是寄存器传输级验证。其主要的内容是要确认经综合后的逻辑电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。必须提及的是，这个阶段的验证仿真需要考虑门电路的延迟。 2.1.5 布局和布线 布局指将设计好的功能模块合理地摆放在芯片上，规划好它们的位置，其目的是在不影响性能的情况下尽量减小它们的布局面积。布线则
24、指完成各模块之间互连的连线，其目的是尽量减小连线的长度和环线的面积，使电路的延迟和辐射等干扰达到最小。 2.2 CMOS运算放大器电路的特点2.2.1 集成电路的特点集成电路是通过氧化、光刻、扩散、外延、离子注入、金属化等集成工艺，把晶体管，电阻，电容，电感等器件连接在一起集中制作在一小块半导体基片上，构成一个具有一定功能的电路。按功能可分为模拟集成电路即对模拟信号进行处理的集成电路，数字集成电路即对数字信号进行处理的集成电路和数模混合电路即对数字信号和模拟信号进行处理的集成电路三两大类，其中集成电路运算放大器在模拟集成电路中应用最广泛，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。 集成电路的
25、特点： 1 单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。适合于组成差动电路。2 阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。3 大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。4. 在集成电路中，为了不使工艺复杂，尽量采用单一类型的管子，元件种类也要少所以，集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点。常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替。集成运放电路的特点：1电路结构与元件参数具有对称性。由集成工艺制造的元件，参数的精度不高，而且器件受温度的影响比较大，但由于各个元件
26、都做在同一个硅片上，距离近，所以电路的对称性比较好，。2. 采用复合电路。由于复合电路的性能比较好，所以大部分放大电路采用复合管，其缺点是制作工艺比较复杂。3. 有源器件代替无源器件。在集成电路的制作工艺中，有源器件比无源器件的制作方便，而且面积小，所以常用有源器件代替无源器件。4. 各级之间采用直接耦合的方式。在集成电路中，容量大的电容不易制作，而且采用阻容耦合会使得电路的延迟变大，所以集成运算放大器各级之间一般采用直接耦合的方式。2.2.2 集成运放电路的组成及各部分的作用电路组成（如图2.1）图2.1放大器的组成电路各部分的作用如图2.1所示，集成运算放大器的电路一般由四部分组成：1.
27、输入级：一般是一个双端输入的差分式放大电路，要求其输入阻抗尽可能大、开环增益大，其对称性可以提供大的共模抑制比，同时还要求静态工作电流小，该级的具体参数将直接影响放大器的主要性能，所以对设计来说相对比较重要。2. 中间级：主要作用是提高集成运算放大器的电压增益，可由一级或多级放大电路组成。应具有较高的电压增益，同时为了减小对前级的影响，还应具有较高的输入电阻3. 输出级：一般由电压跟随器组成，以降低输出阻抗，提高电路的带载能力，同时要求线性范围宽，非线性失真小等。4. 偏置电路：主要是向集成运放各级放大电路提供合适的偏置电流，以及确定它们的静态工作点。2.3 CMOS运算放大器的设计原理2.3
28、.1 集成运放电路基本原理 运算放大器是目前应用非常广泛的一种器件，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路，当外部接入不同信号（线性或者非线性）时，可得到特定关系的输出信号。当运算放大器工作在线性区的时候，根据电路的不同连接方式，可以形成比例运算电路（包括反比例运算电路、同向比例电路和差分比例电路），加法运算电路，加法运算电路，积分运算电路和微分运算电路等。一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。运算放大器一般有两个输入端(同相输入端)，（反相输入端）和一个输出端，如图2.2所
29、示。当输入电压加在端和参考电压端（指公共端，一般为零电位）之间时,输出电压实的际方向从参考电压端指向端,即输入电压与输出电压的方向恰好相反。当输入电压加在端和参考电压端之间,此时输入电压与输出电压的方向相同。为了区别两个不同的输入端,在和两端分别标明+和-。如图2.2所示，运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比=(-)其中，是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000倍).图2.2放大器的符号为了提高放大器的性能，一般会将放大器的输出端和反响输入端短接起来，形成负反馈，负反馈的作用是保证电路工作是的稳定性。在电路处于深度负反馈时，可利用理想运算放大器工作在线性区时的虚短(
30、即正向输入端和反向输入端的电流相等)和虚断（即正向输入端和反向输入端的点位相等）这两个特点来分析电路。2.3.2 集成运放电路主要性能指标1. 输入失调电压 输入失调电压是指当输入电压为零时，由于电路内部结构和器件参数的影响，输出电压不为零。为了使输出电压为零，在输入端所加的补偿电压即为输入失调电压。它表征运算放大器内部电路对称性的指标，一定程度上也反映温漂的大小（一般只有几毫伏）。2. 输入失调电压温漂 d/dT 输入失调电压温漂是指在规定的工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量的比值，也就是的温度系数，它是衡量运算放大器温漂的重要参数，其值越小越好。这个指标比输入失调电压更
31、重要，因为输入失调电压可以通过调节电阻的阻值使其降为零，输入失调电压的温漂却无法降为零。 3. 输入失调电流 输入失调电流是指在输入电压为零时，输入级的差分对管基极（或漏极）电流的差值，这个参数用于表征差分级输入电流不对称的程度（一般为1nA0.1uA）。4. 输入失调电流温漂d /dT 输入失调电流温漂是指在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量的比值。也就是的温度系数，其值越小越好。5. 输入偏置电流 输入偏置电流是指当输出电压为零时，运算放大器的两个输入端偏置电流的平均值，这个参数用于衡量差分放大对管输入电流的大小（一般为10nA1uA）。 6. 最大差模输入电压 最
32、大差模输入电压是指运算放大器的两输入端所能承受的最大差模输入电压，超过这个电压时,差分输入管会发生反向击穿现象。7. 最大共模输入电压 最大共模输入电压是指保证运算放大器正常工作的前提下，共模输入电压的最大值。如果输入大于这个值，差分输入管饱和，则放大器失去共模抑制能力。8. 开环差模增益 开环差模增益是指在运算放大器没有外加反馈时，输出的电压值与输入的电压值之比（一般为100dB140dB）。9. 共模抑制比KCMR 共模抑制比即差模电压增益与共模电压增益之比，常用分贝数来表示， KCMR=20lg(/）(dB)。它是衡量差放输入级的对称程度和运算放大器抑制共模干扰信号能力的参数，也可以用来
33、衡量运算放大器抑制温漂的能力。其值越大越好（一般为80dB-160dB）。10. 差模输入电阻 差模输入电阻是指输入差模信号时，运算放大器的输入电阻，即差模输入的电压值与相对应的输入电流值之比，可衡量放大器向信号源索取电流的能力。11. 单位增益带宽(BWG) 单位增益带宽(BWG)是指当共模增益下降到1时所对应的频率。12. 转换速率(压摆率) 转换速率是指在额定负载的条件下，输入一个大的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。它反映运算放大器对快速变化的输入信号的响应能力。2.3.3 集成运放电路的设计流程1. 确定运算放大器的偏置电流。2. 确定MOS管的栅源电压。在给定偏置电流时，增大MOS
34、管的宽长比（一般长不变，宽增大），则电路的共模抑制比增大，噪声减小，电路的匹配性好，增益增大。但缺点是增加了版图面积和寄生电容，电路的工作速度减小。3. 确定器件的尺寸。4. 确定放大器的补偿。2.4 CMOS集成运放电路的设计2.4.1 建库我们编辑版图是在Cadence软件中的Virtuoso Layout Editor的版图编辑环境中来进行版图的编辑。我们首先在系统中建立自己的库，如图2.3所示：图 2.3建库窗口建完库后，就可以在自己的库下面建立电路编辑单元，如图2.4所示：图2.4建立电路编辑窗口2.4.2 CMOS集成运放的电路图打开电路编辑单元就可以进行电路编辑了。其编辑结果如图
35、2.5所示：图2.5电路原理图在这次设计中，我采用差动放大电路作为运算放大器的输入级。如电路图所示，其要求是两个管子和的参数完全相同，而且两个管子的温度也完全对称，这样的要求可以效抑制共模噪声。、和三管的作用是给电路提供合适的直流偏置。和的镜像电流，其作用是使和两个管子漏端的电压差为零，把下一级偏置在一个特定的电流水平。为电流源。和是共源放大器，可作为二级放大。和组成输出级。2.4.3 CMOS集成运放的电路图仿真对编辑好的电路原理图进行保存，如果提示有错误，则需仔细查看并进行改正，直至没有报错。下来就可以进行电路仿真了。动态仿真是通过仿真器不断向电路模型输入激励信号，仿真器将验证的结果记录下
36、来，然后通过各种方法判断输出的结果是否满足技术指标。电路仿真Composer-schematic界面中的ToolsAnalog Artist项可以打开Analog Artist Simulation，出现如图2.6所示的窗口。填写Session（包括Schematic Window、Save State、Load State、Options、Reset、Quit等菜单选项）， Setup（包括Design、Simulator/directory/host、Temperature、Model Path等菜单选项）， Analyses（选择模拟类型，在Spectra下有ac、dc、tran、noi
37、se四个选项，分别对应的是交流分析、直流分析、瞬态分析和噪声分析。我们知道：交流分析是分析电流（电压）和频率之间的关系，因此在参数范围选择时是选择频率。直流分析是分析电流【电压】和电流【电压】之间的关系。Tran分析是分析参量值随时间变化的曲线）。等选项中的交直流电压、电流、温度等仿真所需的参数，然后选择需要仿真的端口，最后点击绿灯就可以进行电路的参数仿真了。图2.6仿真窗口 仿真的具体步骤 1. 在Edit Variables窗口中添加新的变量,如是对系统变量(如温度)扫描，就略去这一步。2. 在Parametric Analysis窗口中，填入变量名称（温度变量是temp），设定扫描范围以
38、及步长等。也可以点击setup，在pick name for variables的弹出菜单中选择所需扫描的参量（除系统参量外，菜单中所列举的都是variables中设置的变量）。3. Outputs/To be plotted/selected on schematic子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形（点击连线选取节点电压，点击元件端点选取节点电流），这个菜单比较常用。当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。比如说：带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在Outputs/setup中设定其名称和表达式。在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。4. 然后运行An
39、alysis菜单下的start子菜单，开始模拟，模拟结果会在Waveform窗口中显示。 运算放大器电路图的仿真结果 大信号和小信号的瞬态响应分别由将一个0V和5V脉冲作用到单位增益结构所决定正摆率和负摆率，负摆动的大过冲是由输出级造成的，原因是电路确定的期望摆率值对负载电容充电的电流不足。1. 其瞬态总响应如图2.7所示：图2.7总瞬态响应2. 其大信号上升响应如图2.8所示，摆率为4.65V/2.08485uS=2.23 V/uS。图2.8大信号上升响应3. 其大信号下降响应如图2.9所示，摆率为-4.8V/3.558552uS=-1.35 V/uS图2.9大信号下降响应4. 其小信号上升
40、响应如图2.10所示，摆率为0.09977V/928.38681uS=-0.1m V/uS图2.10小信号上升响应5. 其小信号下降响应如图2.11所示，摆率为-81.499mV1.226486uS=-66.45m V/uS图2.11小信号下降响应6. 共模输出范围如图2.12所示，其共模输出范围为3.5V。图2.12共模输出范围7. 失调电压仿真如图2.13所示，其失调电压约为6.5mV。图2.13失调电压8. 相位裕度仿真如图2.14所示，相位裕度为18070=110。图2.14相位裕度9. 增益的仿真如图2.15所示，有图可得放大器的放大增益约为86dB。图2.15增益2.4.4 CMO
41、S集成运放的参数计算1. 确定器件参数的原则L确定：考虑MOS管的耐压，工艺水平，沟道长度调制效应对器件特性的影响。W确定：对于长沟器件，根据工艺水平先考虑沟道宽度，再根据W/L确定L的值源漏尺寸越小寄生电容及漏电流就越小。相同内型MOS管源漏区连接时采用直接连接可以减小源漏区面积，减小寄生电容及漏电，同时也减小了芯片面积。2. 放大器增益参数的计算我们首先计算直流偏置，令电源电压=5V：由电路原理图可知流经, 三管的电流相等，且三个管子都工作在包河区，则有：= （式2.1）由工艺参数可知:PMOS管 =-0.73V， =2.21A/, =0.013 NMOS管 =0.71V, =6.87A/
42、，=0.021将电路原理图中的宽长比与上述参数代入式2.1式可得： =3.92V =2.03V那么管提供的差分偏执电流 = （式2.2）将对应的参数代入2.2式可得 =502uA差分放大级的偏置电流一般根据增益，共模抑制比，功耗和噪声以及匹配性等来确定。我们选择差分放大级作为运算放大器的第一级，其小信号增益为： =() （式2.3） = （式2.4）我们分析运算放大器的两个输入（即管和管的栅极）电压相同时，由于镜像电流的作用，流过管和管的电流相等，这样便可知管的栅源电压和漏源电压相等。考虑沟道长度调制系数，则 = （式2.5） = （式2.6）将上述参数代入2.6式可得 =411设计运算放大器
43、的下一步是确定第二级的放大倍数。我们先计算出流经的电流（即的电流） = （式2.7）代入参数可得 =151uA这个放大器的第二级是由两个PMOS管构成的源极跟随缓冲放大级，它的增益为： =() = （式2.8）将参数代入2.8式可得 =43由此得到放大器的开环增益为： =43=1767320log=204.25=85dB将运算结果与仿真结果相比，结果是比较吻合。第三章 CMOS运算放大器后端设计集成电路的后端设计主要包括版图设计和版图验证。我们采用的是Cadence和Virtuoso Layout Editor的版图设计环境来进行版图的设计和验证。利用Virtuoso Layout Edito
44、r的验证工具DIVA进行验证。版图验证的过程主要包括：设计规则检查（Design Rule Checking 简称DRC），用于检查版图的几何尺寸是否满足芯片制造过程中根据工艺确定的规则或约束条件，包括图形的宽度、图形的间距等。电学规则检查（Electronics Rule Checking 简称ERC）,用于检查版图的连接是否违反电气方面的规定，包括节点的短路和开路、有没有悬空的节点和元器件等。电路与版图的对应检查（Layout Versus Schematic 简称LVS），用于版图和电路的一致性对照检查，即检查电路和版图在节点及其连接关系、元器件及参数等方面是否匹配。版图的寄生参数提取（
45、Layout parameter Extraction 简称LPE），用于从版图中提取元器件的参数（例如MOS管的沟道长度/宽度，源漏区的周长/面积等）、寄生电容、寄生二极管等。3.1 版图的设计流程版图就是集成电路工艺制造所需的十多层掩膜版的物理几何图形的，这十多层图形通过计算机辅助设计CAD工具按照一定规定叠加到一起所构成的整体物理图形，这个图就叫做集成电路的版图。版图的设计既要符合集成电路的功能、电学参数、可靠性参数要求，又要符合集成电路工艺制造的设计规则（工艺参数）、组装压焊的要求。除此之外，还要使组图美观好看，具有美学观点。完整的版图：有制造掩膜版的各个层（一般都有十多层），遵守工艺
46、制造水平的设计规则，其结构分版图内部（各种门电路、D触发器、加法器、RAM、ROM等）、外围、输入、输出、压点（主要是输入、输出端口，以及其端口的顺序）、电路代号、版序、对图符号、版图设计时间、划片距离、制版检查标记等。如果加工厂家没有各种器件的检测版，还需要各种器件的样管，样电阻。若是双极型的线性电路，需增加一个在摸索工艺条件时可直接用探针检测的NPN、PNP样管。3.1.1 整体设计这一步主要确定版图设计的基本模块和焊盘的大致布局。这个布局应该以功能框图或电路原理图为参考，使它们在布局上大体一致，然后在根据各个模块版图面积的大小进行适当的调整。这一步还有一个重要的任务就是焊盘的布局。焊盘的合理布局对与系统内部各信号之间的连接非常重要，其布局还应该便于测试，再有就是以减小版图面积，节省
