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1、摘 要基于微机械加工技术的传感器是一类很重要的传感器。实现IC兼容工艺后，可以将微机械传感器敏感芯片与相应的接口电路集成在同一个硅片上，降低制造成本，重复性与一致性好，具有高的灵敏度和分辨率。电容式传感器是将被测的非电量变化转换为电容量变化的一类传感器，它广泛应用在压力、湿度、温度和加速度等测量中，具有功耗低、灵敏度高、受温度的影响小等优点。MEMS电容传感器结合了电容传感器和MEMS传感器的优点，成为现在传感器领域一个研究热点。随着MEMS工艺的逐渐提高，传感电容越来越小，外界物理量引起的传感电容的变化更是微小，这样检测电路就变的相对复杂。传感器的检测精度很大部分被检测电路所限制。本文设计了
2、一种低噪声电容检测ASIC。本论文的主要的研究工作和成果如下：（1）研究MEMS电容传感器工作原理，确定等效模型，根据传感器工作范围、精度要求等确定检测ASIC性能指标。（2）根据性能指标，查阅文献，确定检测方法，确定电路原理图。（3）设计检测ASIC需要的低噪声放大器，时序控制电路等，完成整体电路晶体管级设计。（4）完成整体电路的版图设计，对版图进行检查和后仿真，确定最终电路形式。送交代工厂流片。（5）对电路进行深入分析，总结不足，提出进一步研究的方向。 关键词：MEMS；电容式微传感器；CMOS运算放大器；低噪声；ASIC；ABSTRACT Micro-machined sensors b
3、ased on the MEMS technology are very important sensors. These sensors can be fabricated together with their interface circuit on the same silicon substrate. As a result, the cost can be lowered while the sensitivity and the resolution can be improved. A capacitive sensor includes a variable capacito
4、r transducer which varies its capacitance according to the environmental parameter. They are widely used in the applications of parameter measurement such as pressure, humidity, temperature and acceleration, etc, comparing with other sensors , the capacitive sensors consume less power, have less tem
5、perature coefficient and higher sensitivity. MEMS capacitive sensors are studied actively since they own the advantages of both MEMS sensors and capacitive sensors. With the fast development of the design and manufacturing level of MEMS, the change of the sensor capacitance becomes much smaller alon
6、g with the sensor capacitor, complicating the design of readout circuit. Since the sensitivity of the sensor highly depends on the readout circuit, we propose a ASIC for multi-dimension accelerator with low noise in this paper. The main work and achievement are as follows:1 Carefully study the worki
7、ng principle of the MEMS capacitive sensors, and determine the equivalent model. Determine the specification of the ASIC by input range and resolution requirements.2 Conduct literature review to determine the topology of this ASIC according to the specification.3 Design the low noise amplifier, timi
8、ng control circuit, etc. complete the whole device level design.4 Layout of the whole circuit, do DRC/LVS and post-simulation. Extract the GDS file and tape out.5 Thoroughly analyze this circuit to find its drawbacks for further research. Key Words: MEMS；capacitive-micro-sensor；CMOS Opamp；low noise;
9、 ASIC;目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.1.1 集成电路设计技术的发展11.1.2 MEMS技术及MEMS传感器21.2 MEMS电容式加速度计检测ASIC研究现状及意义41.3 本论文的主要研究内容7第二章 CMOS运算放大器的设计82.1 CMOS运放概述82.1.1 CMOS运算放大器设计指标92.1.2 CMOS运算放大器的分类112.2 模拟集成电路设计流程152.3 本检测电容电路中用到的两级运算放大器设计与实现162.3.1 运放结构的选取162.3.2 运放性能的仿真17第三章MEMS电容传感器检测电路系统的设计223.1
10、 微电容检测223.1.1 微电容检测原理223.1.2 微电容检测的常用方法223.1.3 本文采用的方法293.2 时序电路的设计303.2.1 两相不交叠时钟的产生313.2.2 二分频电路的设计313.2.3 脉宽不对称分频器的设计323.2.4所有时序电路的实现333.3 低噪声低失调放大器的设计343.3.1 低噪声运放拓扑结构的选取353.3.2 斩波方法的选取353.3.3 斩波放大器的电路结构363.3.4 斩波放大器的设计结果373.4C-V 转换电路的设计373.5 双端转单端电路设计42第四章 电容检测ASIC版图设计及验证444.1 版图设计工具的介绍444.1.1
11、版图编辑工具Virtuoso Layout Editor444.1.2 版图验证工具Dracula444.1.3 Mentor Calibre444.2 版图设计流程454.3 版图设计的注意要点464.3.1 天线效应464.3.2 Dummy 的设计474.3.3Guard Ring 的设计484.3.4 Match的设计494.4 电容检测ASIC的版图绘制51第五章 总结与展望53参考文献55附录 lvs检查报告58第一章 绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 集成电路设计技术的发展目前，几乎每个人都可以感受到一场跨越时空的信息技术革命，这场革命的基础就是微电子技术革命，尤其是集成电路
12、（IC）技术的飞速发展。集成电路的发展过程如表1.1所示，由表看出集成电路发展相当迅速。随着集成电路技术的飞速发展，人类生产和生活受到的影响在科学技术史上也是史无前例的。自发明IC至今50多年来，IC经历了从电路集成到系统集成的过程；IC产品从小规模集成电路到今天巨大规模集成电路，即整个IC产品的发展经历了从传统的板上系统SOB(System-on-board)到片上系统SOC（System-On-Chip）的过程1,2,3。在IC发展的历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构也经历了重大变革。 表1.1 集成电路发展趋势集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电
13、路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间连续变化的信号，例如射频（RF）接收器的天线接收信号、录放机的磁带信号、传感器输出的电信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如VCD、DVD播放的音频信号和视频信号）。混合电路就是包括了上述两种形式的集成电路。随着CMOS工艺的进步，由于CMOS电路的低成本，低功耗、高集成度以及不断提高的速度，CMOS模拟电路设计技术也取得不断进步。如今。集成电路已发展到系统芯片（SOC）的阶段，CMOS技术
14、已被证明是实现SOC的最好选择，其中模拟电路是SOC中不可缺少的部分。由于器件尺寸的不断减小和低电源电压、低功耗的要求，模拟CMOS集成电路的设计在整个SOC设计中的地位越来越重要4,5,6,7。1.1.2 MEMS技术及MEMS传感器 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的称呼，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领
15、域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微机械光学器件、微型构件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、环境监控、汽车、生物医学、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。一般来说，MEMS具有以下非约束性的特征：（1）与传统机械相比，它尺寸更小，一般不超过一个厘米，有的甚至只有几个微米，其厚度就更加微小，但并
16、非进入物理上的微观层次；（2）基于（但不限于）以硅为材料的硅微加工（Micro-fabrication）技术制造；电气性能优良；（3）与微电子芯片相似，可大批量、低成本生产；大批量生产下，性价比比传统“机械”制造技术大幅提高；（4）MEMS的发展目标是微机械与IC集成的微系统有智能的真正的SOC；当前，信息技术已走上多媒体、网络化和智能化的道路，信息处理已向系统级芯片集成发展。无论从微型化或性能价格比发展趋势看，信息获取（传感）技术和信息执行技术，即所谓“外部设备”技术都已成为发展的瓶颈；他们与主机的接口也成为阻碍处理速度的关键。完整的MEMS由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口
17、等组成的一体化微型器件系统，是把信息获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微系统，从而大幅度提高信息获取和信息执行技术，突破信息技术发展瓶颈。 MEMS被认为是集成电路技术后的又一次革命，对21世纪的生产方式、科学技术和人类生活质量都会有深远的影响7,8,9。MEMS传感器种类很多，其中MEMS电容传感器是其中非常重要的一类。MEMS电容式微传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一类传感器,测量原理图如图1.1所示，它广泛应用在速度、加速度、位移、压力、湿度、化合物组成等的测量中。随着电容式传感器测量原理和结构的深入研究及新材料、新工艺、新电路的开发，它的精度和稳定性日益提高，同
18、时它的应用也越来越广泛。特别是随着MEMS设计与加工技术的不断进步，市场上已经出现包括微型压力传感器、加速度计、湿度传感器、陀螺以及化学和生物传感器等产品。近几年来，随着消费电子市场的不断扩大和MEMS传感器的制造成本不断下降，微电容传感器的应用领域也不断扩大。以微加速度计为例，应用领域已从传统的航空、航天技术、汽车电子和其他高新技术领域扩展到移动电话、游戏机、数码相机等娱乐图1.1 电容式微传感器测量原理示意图设备上。据预测，在未来的几年内，MEMS加速度传感器和压力传感器的市场规模将分别达到10亿和25亿美元。国际上的一些半导体巨头都已纷纷将注意力投向了这一巨大的市场。相比其它的传感器，电
19、容式传感器有它的特点：功耗低、灵敏度更高、动态响应好、受温度的影响较小、环境适应性好等；缺点是处理电路较复杂9，10。MEMS传感器的微小体积特点决定了传感电容的电容值不可能大，一般为pF量级，而由检测物理量引起的传感电容的变化更加微小，一般为fF甚至更小。电容传感器输出信号是电容的变化量，无法直接作为输出，需要电容检测电路检测出微小的电容变化量。由于传感电容变化量非常小，检测电路和传感器连接时的寄生电容以及检测电路本身的噪声对整个传感器的精度有巨大影响。为了提高整个检测精度，现在主要的技术方向有两个：1、把检测电路和传感器集成在同一个芯片上，这样大大减小寄生电容的影响。2、设计对寄生电容影响
20、不大的低噪声集成度高的检测电路，同时为了减小整个传感器的体积和检测电路和传感器的寄生电容，可以把检测电路的裸片和传感器封装在一起。1.2 MEMS电容式加速度计检测ASIC研究现状及意义 加速度计作为一种测量加速度的仪器，在民用、军用领域都有广泛的应用。在民用方面，广泛应用于汽车安全气囊等安全保护装置中;军用方面，加速度计是飞机、火箭、导弹中不可缺少的一部分。随着微电子技术的飞速发展，芯片的集成度不断加大，如何设计出体积小、精度高、抗干扰能力强、对工作环境的适应能力强的加速度计，已经成为一个重要的课题。目前市场上的加速度计主要有压电式电荷加速度计、压阻式加速度计、变电容式加速度计等几种类型的加
21、速度计。在众多的微加速度计中，MEMS电容式加速计具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高、可以通过静电回复力工作在力平衡模式等优点，是目前研究最多的一种加速度计。电容式加速度计主要有梁-质量块结构以及梳状电容式结构。梁-质量块结构有悬臂梁结构、二梁结构、八梁结构等不同结构，图1.2为梳状电容加速度计的结构及等效电路。变电容式加速度计的设计中一个重要的环节就是电容检测电路的设计。目前国外己经生产出体积小性能优越的加速度计。但是国内现有的加速度计，由于工艺和相关技术比较落后，加速度计的体积比较大，很难适应当前系统小型化的要求，尤其是在武器系统中，加速度计只是其中的一部分，体积应该越小越好。图1.2 一
22、种梳状电容加速度计的结构及等效电路专用的检测ASIC不仅仅提高了加速度计的检测精度，同时当检测ASIC的裸片和传感器芯片封装在同一个外壳内时将会大大减小整个传感器的体积，从而满足高性能、小体积的应用需求。国外在该研究领域较国内先进，美国的卡内基梅隆大学设计了一种单片集成的CMOS MEMS加速度计，检测电路如图1.3所示，实现了50ug/Hz1/2等效输入噪声11。美国密歇根大学集成传感器与集成电路中心所开发的单片集成微电容传感系统可以检测温度、湿度、气压和加速度各项参数，其中各传感器都是采用敏感电容结构。其他很多MEMS实验室也逐渐尝试将处理电路和电容式传感器集成或者设计专用的ASIC，如台
23、湾的清华大学、荷兰的待夫特等13，14。 图1.3 电容检测原理图在商业领域，美国模拟器件公司（Analog Device）凭借其独特的iMEMS（集成MEMS）工艺将传感器单元和信号调理电路集成在一片芯片上，不仅减小器件尺寸、降低功耗和节省成本，同时提高性能和定制生产能力。图1.4中，ADXL203是一款高精度、低功耗及单一的iMEMS型双轴加速度计，传感器输出幅值与所测加速度成正比的方波信号，经过信号交流放大、相敏检波、低通滤波，得到与加速度成比例的模拟电压信号15。 图1.4 ADI公司ADXL203电容式加速度计的检测电路近几年，随着MEMS微电容传感器市场的不断扩大，一些品牌的通用电
24、容检测芯片已在市场上出现。 图1.5 MS3110电容检测芯片原理图图1.5所示为Microsensors公司的通用电容读取芯片MS3110，待测电容范围为0.25pF10pF，分辨率可达4.0aF/rtHz，输出04V电压信号16。图1.6 CAV424电路结构和应用电路图德国Analog Microelectronics GmbH（简称德国 AMG公司）开发了一系列的集成电路，用于电容信号的转换、放大以及标准化输出，比如CAV404、CAV414和CAV424。图1.6是CAV424的电路原理图，它含有完整的电容信号采集、转换和标准化输出的电路。它可以输出最大幅值达2.8V的电压17。上述
25、两款芯片可以满足多数情况下的应用需求，但是在传感器的多个传感电容对使用同一个公共节点的多维加速度计或者许多陀螺仪中以及需要处理较高频信号的高G加速度计中，这些芯片就较难满足应用要求。国内高校或研究所如东南大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中科院电子所等都对电容检测电路有所研究，国内的主要都是集中在研究阶段，有些电容传感器信号处理电路在实验室研制成功，目前已有一些集成的带处理电路的微电容传感器在实验室研制成功，但是这些传感器结构都相对简单，应用面较窄，如环振式加速度计、环振式压力传感器、硅微机械陀螺18,19,20,21。本实验室在电容检测电路方面也有一定的研究，05级硕士生周丽丽调研分析了电容检
26、测ASIC现状，设计了一个用开关电容方法检测电容的电路10,22，但是电路结构较简单，没有考虑到电路噪声的影响，电路的工作频率也较低、线性度不好。本文的研究是在其基础上对电容检测ASIC进行了进一步研究，提出了噪声低、线性度好、可处理信号频率较高的电路。而在应用领域，国内传感器厂家尚不具备将传感器和处理电路芯片集成的能力，系统厂家通常采用分立器件搭制电容检测电路，或购买国外通用电容检测芯片读取电容信号。随着MEMS加工技术的发展，器件尺寸不断缩小，微电容传感器的量值和变化量将更加微小。传统的分立元件电路检测将越来越困难。随着电容式加速度计、压力计等传感器在军事领域尚的大量应用，加快电容传感器处
27、理集成电路的研究和开发，在工业和国防都具有重大的意义。1.3 本论文的主要研究内容 MEMS电容式加速度计检测ASIC是一个数模混合集成电路，主要部分是模拟集成电路。随着MEMS工艺的提高，MEMS电容传感器的信号检测更加具有挑战性，设计出对寄生电容影响小、低噪声、低失调的电容检测ASIC对提高加速度计的性能有着非常重要的作用。本论文结合实验室课题需要，从目前国内外研究现状和急切需要解决的问题出发，对MEMS电容传感器检测ASIC进行研究，并设计出一种适用于多维加速度传感器的低噪声低失调检测ASIC。论文分为五章，内容简述如下：第一章 绪论，主要介绍了集成电路和MEMS传感器的发展背景，分析了
28、国内外电容检测ASIC研究现状，提出了设计电容检测ASIC必要性。第二章 CMOS运算放大器的设计，详细介绍了CMOS运算放大器的种类、性能指标以及用于本文检测ASIC的运算放大器的设计。第三章 MEMS电容传感器检测电路系统的设计，调研分析了电容检测ASIC的各种形式，分析了各自的优缺点，提出一种低噪声的电容检测ASIC，给出电路结构和噪声分析，使用Cadence EDA工具设计了电路。第四章 电容检测ASIC版图设计及验证，介绍了模拟电路版图设计工具和注意要点，绘制了整个检测ASIC的版图，并对版图进行了DRC/LVS验证和后仿真。第五章 总结与展望，总结了本课题的研究成果与不足，提出了一
29、些进一步提高电容检测ASIC性能的方法。第二章 CMOS运算放大器的设计2.1 CMOS运放概述 运算放大器（Operational Amplifier，常简称运放）是具有很高放大倍数的电路单元，在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。随着半导体技术的发展，原来由分立元件组成的运放都被集成的运放所取代。随着CMOS技术的发展，它已成为当今IC的主流，含有模拟和数字电路的SOC将由CMOS工艺实现，所以如今CMOS运放已成为模拟集成电路的主要模块。CMOS运放同双极型运放相比，它在增益、失调、速度等方面差。但是CMOS运放具有高输入阻抗、低偏置电流、低功耗、低工作电压并提供满电源电压
30、摆幅的动态范围等；还有其所占用的芯片面积只是同等功能双极型运放的1/3-1/5.所以，高性能的CMOS运放在模拟集成电路中所占比重将越来越大，应用也越来越广。理想运放的最大特点就是“虚地”和“虚短”。即正负输入端之间电压差为零，输入电流为零。这就要求放大能力方面，开环电压增益Av、共模抑制比CMRR、带宽BW和转换速率SR等无限大；此外精度方面，要求输入失调电压Voffset、偏置电路IB、噪声电压Vn等误差源为零；输入输出方面，要求输入电流为零（输入电阻无穷大），输出电流容量无限大（输出电阻为零），输入输出电压范围可达满电源电压（rail-to-rail）；电源方面，要求功耗为零，在任何电源
31、电压下能正常工作。图2.1 非理想运算放大器模型但在实际应用中，完全理想的运算放大器是没有的， 开环增益、单位增益带宽不是无穷大，输出阻抗Rout、输入电流也不是无限小。另外，由于集成电路制造技术及工艺的影响，必然会产生诸如不匹配等因素引起的输入失调电压Voffset，漏电流IB等。运放的非理性特性如图2.1所示4，23，24。2.1.1 CMOS运算放大器设计指标（1）增益开环增益即开环差模低频电压增益，是指运算放大器电路正常工作，接入规定负载，无反馈情况下的直流差模增益4，23，24。运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。理想运放的开环增益为无穷大，但对于通常的放大器，增益是有限的
32、，在低频的情况下，典型值为103（60db）到105（100db），有的采用特殊结构的增益提高运放增益可达107（140db）以上。增益的大小影响到开关电容电路的精度，本论文所设计的两级运算放大器的增益为85db，满足应用要求。（2）频率响应由于寄生电容、载流子有限的迁移率等因素影响，在高频的情况下，运放增益会随着频率的增加而减小，通常用单位增益带宽（即在电压增益降为1时的频率）来描述。为了更容易预测闭环频率特性，也可以规定-3db带宽，即低频增益下降3db时对应的频率f3db。一般运放的单位增益带宽在1-100MHz范围内。（3）输出摆幅输出摆幅即输出信号所能达到的电压范围。现在很多模拟信号
33、处理系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。运算放大器的输出电压摆幅与器件尺寸、电路速度、偏置电流等之间的性能指标是相互制约、相互折衷。 （4）失调电压对于理想的放大器，如果输入差分对电压相等，则输出电压为0。但在实际的运放中，这种关系并不完全正确。当输入短接时，在输出端有不为零的电压，这个电压与运放增益成正比。这个不为零的电压就是输出失调电压，由不为零的输入失调电压引起的。等效输入失调电压如图2.2所示，里面的运放为理想运放。当加入失调电压源后输入差分输入为零时输出也为零。运算放大器的失调与差分对管的对称性等因素有很大关系，通常结构的CMOS放大器失调电压的典型值在正负2mV到10mV之间
34、。图2.2 运算放大器失调计算等效电路（5）共模抑制比（CMRR）共模抑制比是用来说明差分放大器电路抑制共模信号的能力的一项性能指标。其定义为放大电路对差模信号的电压增益与共模信号的电压增益之比的绝对值。差模电压增益越大，放大电路的性能越优良，共模电压增益越小，则共模抑制能力越强，因此希望共模抑制比越大越好4，23，24，25。对于CMOS放大器，共模抑制比大致在60db到80db之间。共模抑制比表明的是运算放大器抑制共模噪声的能力，因此运放要有足够大的CMRR。（6）转换速率转换速率是衡量输出信号的最大变化斜率的量，其定义为放大器在闭环状态下，输出为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压
35、对时间的最大变化率。在运算放大器的输入端加一个大的阶跃信号，那么一些晶体管就会进入线性区或者完全截止。结果输出会以一定的速率跟随输入信号。这种电压变换的极限叫转换速率，转换速率的大小由所能提供的对电容负载充放电的最大电流确定。正常情况下，转换速率不受输出端的限制，而是受前一级所能提供或吸收电流的能力的限制。转换速率也和功耗噪声等相互影响，存在折衷关系。 （7）输出电阻实际的运算放大器的开环输出电阻并不为零。带输出缓冲的放大器输出电阻大致在0.1-0.5K范围内；而不带输出缓冲级（OTA）的放大器的输出电阻要大的多。作为运放应用的时候输出电阻越小越好，作为OTA使用的时候输出电阻大不对应用造成影
36、响。（8）噪声MOS晶体管由于它本身的结构、工艺技术和在运放中的偏置条件等原因，在低频情况下显出较高的闪烁噪声（1/f噪声），而在高频情况下显出较高的热噪声。噪声限制了电路能够正确处理的最小信号电平。在微弱信号检测当中噪声是一个非常重要的参数4，23，24，26。 （9）电源抑制比（PSRR）运算放大器电源线上常含有噪声，这些噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”这些噪声。而电源抑制比就是衡量运算放大器抑制这种噪声程度的量。它一般定义为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。现在的运算放大器逐渐趋向低压低功耗，所以对供电电源的要求也越来越高，特别是在数模混合电路系统中，数字电路
37、噪声可能会耦合到模拟电源上加上电源本身噪声的影响，运放对电源噪声信号的抑制能力显的更加重要。运算放大器通常PSRR在60-80db范围之间。（10）共模输入范围由于MOS晶体管的特性，并不是电源电压范围内的输入电压都可以使输入MOS管开启。采用不同类型的输入级，会有不同的共模输入范围。有时候会根据输入电压的范围来确定输入管是PMOS管还是NMOS管。PMOS管作为输入管输入电压可以达到很低，NMOS管作为输入管输入电压可以达到很高。（11）DC功耗DC功耗是电路静态时消耗的功耗，由电路的静态电流决定。现在越来越多运算放大器应用于便携式设备，而便携式设备的供电电源带电量有限，这样电路的功耗就成为
38、便携式设备应用的一大限制。电路大的功耗，不但使电源供电困难，也会发热导致电路无法正常工作，所以说在设计运放的时候要根据运放的应用场合，设计合适功耗的运放。上面描述的都是实际的运算放大器设计过程中所要考虑的主要参数，但是这些参数之间又是相互矛盾的。正如模拟集成电路设计的八边形法则（如图2.3所示）指出的要实现某些参数就要以牺牲其它性能指标为代价，因此，要设计一个高性能的运算放大器要多方面优化。 图2.3 模拟电路设计的八边形法则2.1.2 CMOS运算放大器的分类常用的CMOS运算放大器结构有一级运放和两级运放，其中具体的结构又有普通结构、共源共栅结构（cascode）、增益提高结构（gain-
39、boosting）等等。其中最简单的一级差分运放如图2.4所示，仅由四个MOS管构成。这种电路的低频小信号增益等于gm1（ro2/ro4）。在深亚微米器件的典型电流条件下，其增益一般为50左右，很难达到我们的要求。 图2.4 简单一级差分运放（左为单端输出，右为双端输出） 图2.5 套筒式共源共栅运放（左为单端输出，右为双端输出）为了提高增益人们提出了套筒式共源共栅运放和折叠式共源共栅运放，如图2.5和图2.6，套筒式共源共栅运放的增益为gmN（gmNrON2）/（gmPrON2） ，但是这是以减小输出摆幅和共模输入范围作为代价的。套筒式共源共栅运放的另一个缺点是很难以输入和输出短接的方式实现
40、单位增益缓冲器。因为若要使M2 和M4均工作在饱和区，限制了输出摆幅无论如何不能大于Vth2。为了减小套筒式共源共栅运放的不利因素，又提出了折叠共源共栅运算放大器如图2.6所示，折叠式运放与套筒式运放相比，输出摆幅相对较大(比套筒式运放少折叠一个MOS管)，这是以较大功耗、较小的增益、较小的带宽和较大的噪声获得的。尽管如此，折叠式运放比套筒式运放运用更为广泛，因为它可以直接接成跟随器形式。折叠式共源共栅运放也包括单端输出和双端输出，图2.6为双端输出的折叠共源共栅运算放大器。上面几种运放都属于单级放大器，单级放大器的增益一般最大可做到70dB左右(在L较小时这个值很难达到)，要获得更高增益时需
41、两级或两级以上(对于小L值、低电源电压情况)放大才能得到，在两级运放中，第一级通常用来获得高增益，第二级用来获得大输出摆幅，如图2.7所示，图2.8为简单的单端输出两级运放。这样做的目的一是解决了高增益与输出摆幅的矛盾，另一方面也容易满足运放稳定性要求，同时可以减小运放的等效失调电压。图2.6 NMOS输入管的折叠共源共栅运放 图2.7 两级运算放大器的结构图 图2.8 单端输出的两级运放在特殊应用情况下，需要很高的增益，于是就出现了增益提高结构，如图2.9所示，输出端和电流镜栅极之间的放大器把X、Y点看进去的阻抗提高了放大器的倍数，从而达到增益提高的目的。因为电路的复杂度增加，这种电路结构的
42、功耗较高，还增加了设计难度。各种结构的运放都有自己的特点，各种运放性能比较如图2.10所示4。图2.9 增益提高运放的实现图2.10 各种不同运放的性能比较 2.2 模拟集成电路设计流程 模拟电路所处理的对象主要是连续性的信号，因而对于电路本身的敏感性要求比数字电路要苛刻的多。这一点就决定了它不可能像数字电路一样，可以由代工厂提供的标准库来帮助设计者设计。因此模拟电路的设计流程与数字电路不同。模拟集成电路的设计包括电路设计和版图设计。整个流程图如图2.11所示。 图2.11 模拟电路设计的流程图电路设计先要按照性能指标的要求确定整个电路的原理图（模拟电路的原理图相对简单，但由于模拟电路处理对象
43、的多样性，需要设计者把绝大部分精力放在电路的微调上），根据系统要求分配给各个模块相应指标。在EDA软件中输入原理图，加入代工厂的模型库，用模拟软件仿真各个模块的性能，微调晶体管参数达到性能要求。当各个模块设计好后，需要把所有模块放在一起仿真整个系统。如不能满足要求还需要重新分析原因，重新分配指标，最终使电路达到目标要求。集成电路最终交给代工厂的是版图的GDS文件，这些版图文件最终变为现实中的有用的芯片。版图设计又是称为后端设计，是以图像化的方式把电路反映在一张立体的图纸上27，28。当完成了版图设计后必须对版图进行检查，首先，版图的绘制要满足代工厂工艺要求。不是随便画任何一个版图都是可以在代工
44、厂生产出来的，整个步骤叫DRC，如果DRC通过了还需要对版图和原理图进行LVS，即版图和原理图的对照，要想最后生产出来的芯片和我们开始仿真的一样，版图中的连线方式必须和原理图完全相同LVSMATCH。在版图通过了DRC/LVS后，仍然不能保证芯片结果的准确性。在原理图中各个器件之间的连线是理想的连线，而在实际生产当中，这些连线将会产生很多寄生效应，这些效应可能严重影响电路的性能。为了使最后生产出来的芯片尽量和我们的要求一致，在对版图进行了DRC/LVS检查后还需要对版图进行寄生参数提取，再对提取的网表进行后仿真，这样将大大提高芯片设计的一次成功率28,29,30,31。 2.3 本检测电容电路
45、中用到的两级运算放大器设计与实现人们总是希望可以设计一种非常通用的模块，也就是企图设计一种“理想”的运放，适应各种不同的要求。如前面所述，理想运放拥有无穷大的增益、无限宽的带宽、无穷大的输入阻抗、零数出阻抗等。但是实际的运放是不可能满足这些要求的，并且运放的性能之间存在着矛盾，就像模拟集成电路设计八边形原则中指出的一样，满足某些要求时必须以牺牲其他性能为代价，比如高速的就很难做到低功耗等。作为设计者，必须根据实际运放的应用要求，考虑各个性能指标的折中关系，在结构选取及晶体管参数的设计上进行优化。如果追求每个性能都最佳化，很多时候是非常难达到的，从成本上来说也是不合算的。2.3.1 运放结构的选
46、取 本检测系统中用到的运算放大器是简单两级运算放大器，其简单的电路结构、高的增益、低噪声等特点较好的满足了我们的应用需求。运放的原理图如图2.12所示。两级运放因为级数的增加，存在稳定性问题，为了得到60度相位裕度，需要加补偿电容进行补偿。补偿电容通过弥勒效应把两个极点分开。补偿的图2.12 简单两级运放的电路原理图目的是使次极点落在2.2倍单位增益带宽以外，同时因增加弥勒电容而增加的零点落在10倍单位增益带宽以外，从而在单位增益带宽内没有引起附加相移。所以有：gm2 /CL 10gm1/CL 2.2gm1/Cc （ Cc为补偿电容，CL为负载电容）所以，补偿电容和负载电容关系为：Cc0.22
47、CL两级运放当中的右半平面的零点给系统造成了不稳定性，可以通过增加与补偿电容串联的补偿电阻来左移零点至左半平面，甚至可以消除一个非主极点。串联一个电阻后零点约为：1/(Cc (g m2-1-Rz) ，当这个零点和第二个极点相等时，可以消除第二极点的影响，得到Rz约为：（CL+Cc）/g m2Cc2.3.2 运放性能的仿真本文的仿真工作基于Cadence Spectre 仿真平台，利用HJTC0.18um CMOS 3.3V工艺库文件，电源电压VDD是3V，对电路进行了各种温度的仿真和各种工艺角的仿真，仿真可知在各种工艺角下和一定的温度范围内电路可以正常工作。结合我们应用需求，我们给出以下主要仿真结果（仿真温度为27度，工艺角为tt）29,31,32,33,34：（1）开环增益图2.13位运放的开环频率响应仿真结果，它可以反映开环传输曲线、开环增益、相位
