《毕业设计CMOS运算放大器的分析及设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计CMOS运算放大器的分析及设计.doc（45页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 要随着集成电路工艺的发展，CMOS电路由于其低成本、低功耗以及速度的不断提高，在集成电路中获得越来越广泛的应用。CMOS运算放大器也因其独特的性能优势常被用于模拟集成系统或子系统中，它的性能的好坏直接决定了整个模拟集成系统性能的好坏。因此，有必要对用CMOS运算放大器进行深入的学习和研究。 CMOS运算放大器作为模拟集成电路最重要的功能模块，其设计一般包括以下几个步骤：确定设计要求；设计或综合；仿真；几何版图设计；版图后仿真；流片；测试。本论文主要对两级CMOS运算放大器进行了前端设计及仿真。论文在确定了两级CMOS运放设计规范要求的基础上，设计了两级CMOS运算放大器的基本电路结构，分析
2、了各组成模块的电路功能，通过分析性能参数与MOS管几何参数的关系，得到了电路中各MOS管的宽长比。论文在介绍仿真环境OrCAD的结构特点及其工作性能的基础上，对所设计的电路进行了PSpice软件仿真，得到了设计电路的直流工作点、瞬态以及频率特性的仿真结果。仿真结果分析表明所设计的电路符合预期的设计要求和设计指标，也验证了设计的两级CMOS运算放大器的可靠性和可行性。关键词：CMOS；运算放大器；PSpice仿真；小信号放大；频率响应AbstractWith the development of CMOS technique, CMOS integrated circuits have beco
3、me the mainstream of integrated circuits techniques, due to its low cost, low power consumption and continuously improved speed. As the CMOS process has good performance merits, therefore the operational amplifier combined with CMOS technique has been widely used because of its unique performance.As
4、 the most important functional module in analog integrated circuits, the design of CMOS operational amplifier includes several steps as follows: determination design requirements, design or synthesis, simulation, design geometric layout, post-layout simulation, tape-out and test. The formal steps of
5、 the design of the two-stage CMOS operational amplifiers was provided in this paper, and the basic circuit structures of the two-stage CMOS operational amplifier was introduced. Based on determining the op-amp design specifications, the relationship between performance parameters and transistor geom
6、etry parameters was analyzed and the ratio of the transistors width to length was calculated. As a kind of simulation tool, the structural characteristics and work performance of OrCAD was described in detail. The feasibility of the design was determined by using PSpice simulation. Analysis of bias
7、point, transient and the frequency characteristics of the circuit have been completed in this paper, and the simulation results showed that the designed circuit meets the design requirements and targets, also design the reliability and feasibility of the two-stage CMOS operational amplifier has been
8、 comfired.Key words: CMOS；Operational amplifier；Pspice simulation；Small signal amplification；Frequency response目录摘 要IAbstractII1.绪论11.1运算放大器11.1.1运算放大器概述11.1.2运算放大器发展历史11.1.3运算放大器原理与类型21.2 CMOS集成工艺41.3论文选题的意义42.两级CMOS运算放大器的设计62.1 两级CMOS运算放大器的组成模块选择原则62.1.1 第一级放大模块72.1.2 第二级放大模块级输出模块82.1.3 偏置及补偿模块102
9、.2 两级CMOS运放电路102.2.1两级CMOS运放的电路结构112.2.2两级CMOS运放的工作原理122.3 两级CMOS运放的参数计算122.3.1设计标准及参数132.3.2工艺参数的计算132.4小结193.两级CMOS运算放大器的电路仿真203.1 仿真环境OrCAD203.2 直流工作点分析233.3 瞬态特性分析283.4 频率特性分析323.5 小结344 电路的优化设计354.1频带宽度优化354.2输出端最大值优化38结论及展望41致谢42参考文献43 1. 绪论1.1 运算放大器1.1.1运算放大器概述运算放大器1（常简称为运放）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际
10、电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延用至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。集成电路一般分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，两类电路的设计方法不尽相同。近年来，随着SOC的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用，并且其相关技术飞速发展。1.1.2运算放大器发展历史第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，运算放大器最早被设计出来的
11、目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。1960年代晚期，仙童半导体推出
12、了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为A709。但是709很快地被随后而来的新产品A741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。运算放大器（常简称为“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。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。1.1.3运算放大器原理与类型（一）原理运放如图1-
13、1有两个输入端a（反相输入端），b(同相输入端)和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端、非倒向输入端和输出端2。当电压加U-加在a端和公共端之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用“-”和“+”号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。图1.1 运算放大器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
14、同相、反相及差分放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。（二）类型按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。1、通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单
15、运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2、高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid1G1T。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3、低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望
16、运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4、高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、A715等其，SR=50-70V/us，BWG20MHz。5、低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型
17、轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为2V18V，消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达W级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。6、高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达
18、150V，A791集成运放的输出电流可达1A。7、可编程控制运算放大器在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题。为了得到固定电压得输出，就必须改变运算放大器得放大倍数。例如：有一运算放大器得放大倍数为10倍，输入信号为1mv时，输出电压为10mv，当输入电压为0.1mv时，输出就只有1mv，为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生得。例如PGA103A，通过控制1、2脚的电平来改变放大的倍数。1.2 CMOS集成工艺随着CMOS工艺的进步，CMOS集成电路具有低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度，无阈值损失，且具有高速度、高精度的潜力，又可和
19、NMOS集成电路一样与TTL电路兼容，以及其低成本已经成为集成电路的主流。在CMOS电路中，P沟道MOS管作为负载器件，N沟道MOS管作为驱动器件，这就要求在同一个衬底上制造PMOS管和NMOS管，所以必须把一种MOS管做在衬底上，而另一种MOS管在做比衬底浓度高的阱中。根据阱的导电类型，CMOS电路又可以分为P阱CMOS、N阱CMOS、双阱CMOS电路。 传统的CMOS IC工艺采用P阱工艺，这种工艺中用来制作NMOS管的P阱，是通过向高阻N型硅衬底中扩散（或注入）硼而形成的3。N阱工艺与它相反，是向高阻的P型硅衬底中扩散（或注入）磷，形成一个作PMOS管的阱，由于NMOS管在做高阻的P型硅
20、衬底上，因而降低了NMOS管的结电容及衬底偏置效应；这种工艺最大的优点是同NMOS器件具有良好的兼容性。双阱工艺是在高阻的硅衬底上，同时形成具有较高的杂质浓度的P阱和N阱，NMOS管和PMOS管分别做在这两个阱中；这样，可以独立调节两种沟道MOS管的参数，以使CMOS电路达到最优的特性，而且两种器件之间的距离，也因采用独立的阱而减小，以适合于高密度的集成，但其工艺比较复杂。CMOS运算放大器也因其独特的性能优势常被用于模拟集成系统或子系统中，它的性能的好坏直接决定了整个模拟集成系统性能的好坏。因此，有必要对用CMOS运算放大器进行深入的学习和研究。1.3 论文选题的意义 运算放大器大多数呈现出
21、一级特性，使输入对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗。因此这些电路的增益被限制在输入对管的跨导与输出阻抗的乘积。共源共栅运放电路在一定程度上提高了放大器的增益，却限制了输出摆幅。而两级CMOS运算放大器用两级结构把增益和摆幅分开处理，运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运算放大器增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。由于CMOS集成电路具有低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度，且具有高速度、高精度的潜力等特点，因此可将其运用到运算放大器的设计当中。因此利用两级放大器结构设计放大器的
22、思想在通用运放的设计中被广泛采用。2. 两级CMOS运算放大器的设计两级运放可以同时实现较高增益和较大输出摆幅，也就是将增益和摆幅要求分别处理，而不是在同一级中兼顾增益与摆幅。即运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运放增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。因此，利用两级放大器结构设计放大器的思想在通用运放的设计中被广泛采用。本章主要介绍了一个两级CMOS运算放大器的设计。2.1 两级CMOS运算放大器的组成模块选择原则两级CMOS运算放大器的基本构成2如图2.1所示：高增益 大摆幅第一级放大第
23、二级放大 Vin Vout图2.1 两级CMOS运放的基本构成图运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，进一步提升增益，从而克服了单级运算放大器增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。两级CMOS运算放大器的组成框图如图2.2所示：补偿电路 输出电路（互补推挽）+ 差分放大器- （一级放大） 共源放大器（二级放大）偏置电路图2.2 两级CMOS运算放大器的组成框图2.1.1 第一级放大模块选择 设计中第一级采用了差动放大器，主要原因在于差分放大器只对差分信号进行放大，而对共模信号 (信号大小相等、相位相同) 进行抑制，也就是说当输入信号的差值为零时，输出
24、的差值电流为零;具有很强的干扰能力，并且有漂移小、级与级之间很容易直接耦合的特点。从而可以获得尽可能低的零点漂移和尽可能高的共模抑制比3。CMOS差动放大器电路如图2.3所示。图2.3 差动放大器该电路中，N沟道MOS场效应管V1和V2作为差分对管，是完全匹配的，其工作电流由V5、V6组成比例电流源构成的电流源提供，P沟道MOS场效应管M3、M4组成镜像电流源作为差分放大管的有源负载（让差分放大器有电压输出）。由于Vgs1=Vds1=Vgs2, 两MOS管具有相同的栅-源电压，并且假定M3与M4管的宽长是相等的，所以在忽略沟道长度调制的条件下，我们认为他们的漏电流是相等的，即 。此电路为单端输
25、出，输出电流=。1、静态输出电流分析由图可知： =AIr=0 即静态时，负载电流为0。2、差模增益Aud的分析 式(2.1) 式(2.1)中，gm1为差分对管V1(或V2)的跨导，rds4为V4的输出电阻，rds2为V2的输出电阻RL为负载电阻。 式(2.2)式中，N1为NMOS管 V1的导电因子，且 式(2.3) 式(2.4) 式(2.5)（1）若rds4rds2RL, 则 式(2.6)（2）若rds4rds2 时，电流 ID5 通过管子 M2 对电容 CC充电；当 时，电流通过管子 M1 和 M3，电流镜 M3和M4 使得M4对电容 放电。密勒电容跨接在第二级（V5）的输出端，第一级输出电
26、流Io1给Cc充电，如图2.7由压摆率计算公式可知：SR=Iss/Cc图2.7 压摆率计算Iss = Cc SR=5=10 uA 式(2.10)求出第一级偏置电流Iss=10 uA，取Iss=80 uA，则=40 uA。3、根据对单位增益宽带的要求，计算差动放大器MOS管的宽长比。由图2.7可见，加了密勒补偿Cc后，由于密勒等效电容对带宽的影响远大于MOS管极间电容的影响，所以，MOS管极间电容的影响可以忽略不计，那么该电路的高频小信号等效电路如图2.8所示。图2.8中gm1为第一级MOS管跨导，Ro1代表第一级输出电阻（rds4/rds2），gm5为第二级MOS管跨导，Ro2代表第二级输出电
27、阻（rds6/ rds5）。图2.8 高频小信号等效电路用密勒等效原理作单向化近似如图2.9示，其中密勒等效电容Cm为Cm(gm5Ro2)Cc，显然Cm引入的是整个电路的主极点，也就决定了整个电路的单位增益带宽。图2.9 单向化模型设Cm引入主极点，则根据图2.9输出电压Uo(j)为 式(2.11)该式忽略了输出回路时常数的影响。 式(2.12)所以 式(2.13)单位增益 式(2.14)代入Cm=()Cc得式 式(2.15)式中，gm1为差分对管跨导 式(2.16)参数要求=2GB=23 MHz 式(2.17)代入式(2.18)，算出V1、V2的宽长比为 式(2.18)取= 20将取大一些，
28、使第一级的增益大一些，以减小第二级的增益负担。4、根据总增益要求，计算二级MOS管的宽长比。总增益 式(2.19)已知 式(2.20)故 选ID5Q =ID6Q =80uA（在输出级为加大驱动能力，电流选大些）。根据(式2.19)算出取=3V5是PMOS管，V6为NMOS管。流过二者的电流相同，若要求对负载正负驱动能力相同，则应使用PMOS管尺寸比NMOS管大一倍，即 2所以，V6的宽长比为1.55、V3、V4管宽长比。从电压角度出发，为保证所有管子在信号范围内均工作在恒流源区或临界恒流区，而不是进入深线性区，根据总电源电压UDD=9V，我们可以大致分配V4、V2、V7（或V3、V1、V7）的
29、静态UDSQ3V。那么，V3的过驱动电压（UDS3-UTH3）3-1=2V。根据电流方程：40 式(2.21)可得 1.5 式(2.22)取 6、设计恒流源电路。因为所以 1.5又有取Ir=ID8=ID7=，则 1.5 7、V9的设计。根据电流方程 式(2.23)求出 得 那么 根据电流方程，求出 式(2.24)所以 取。8、功耗校验。根据以上设计，总电流I为：故总功率损耗满足设计指标的要求。根据以上分析计算，采用3工艺，取最小的尺寸，即L=，根据MOS管的宽长比计算出宽长的具体值。各MOS管宽长参数如表2.2所示表2.2 两级运算放大器各管参数参数 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7
30、M8 M9W/ 60 60 9 9 18 9 9 9 2L/ 6 6 6 6 6 6 6 6 6IDQ/ 40 40 40 40 80 80 80 80 80 UDD/V 10总功耗/mW 3.339.两级CMOS运放的最大和最小差分输入电压的计算：工作在饱和区的MOS管遵循平方率关系即 式(2.25)则输入电压差可写为 式(2.26)可以看出当为到最大值，为最小值时，可达到最大值，而的最大值为，的最小值为0时， 式(2.27)同理，当为最小值0，为最大值时，可达到最小值，即 式(2.28)所以 式(2.29)根据相关参数，可以得到 分析可知，差分输入端的电压在4.3v5.1v范围内变化时，M
31、OS管M1或M2不会截止，电路才能正常工作，这时才得到较为理想的仿真结果。2.4 小结运算放大器大多数呈现出一级特性，使输入对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗。因此这些电路的增益被限制在输入对管的跨导与输出阻抗的乘积。共源共栅运放电路在一定程度上提高了放大器的增益，但是却限制了输出摆幅。两级CMOS运算放大器用两级结构把增益和摆幅分开处理，运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运算放大器增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。在满足两级CMOS运放性能指标要求的基础上，通过对各级模块的合理选择，
32、对设计电路的原理进行分析，完成了两级CMOS运放电路的设计。根据设计要求计算出了每个MOS管的宽长比等器件参数。由于电路中每个管子之间都有直接或者间接的关联，所以需按照一定的步骤计算各MOS管工艺参数。最终计算出的MOS管的宽长之值符合设计要求。3. 两级CMOS运算放大器的电路仿真为了验证设计电路的可靠性，在OrCAD仿真环境中，通过PSpice软件对设计的两级CMOS运算放大器电路进行仿真，从而确定设计的可行性和可靠性。3.1 仿真环境OrCAD CAD5，即计算机辅助设计，顾名思义，就是在电子线路设计过程中，借助于计算机来迅速准确地完成设计任务。具体地说，即由设计者根据要求进行总体设计并
33、提出具体的设计方案，然后利用计算机存储量大、运算速度快的特点，对设计方案进行人工难以完成的模拟评价、涉及验证和数据处理等工作，发现有错误或方案不理想时，再重复上述过程。这就是说，由人和计算机通过CAD这一工作模式共同完成电子线路的设计任务。1、OrCAD特点采用OrCAD软件具有以下的优点： (1)、高集成性；(2)模块化、层次化设计和按项目有效管理； (3)、强大的电路模拟和波形显示功能；(4)、丰富的元器件模型库和封装库及扩充功能； (5)、强大的电路印制板设计功能； (6)、具有与多种EDA和CAD应用软件交换数据的功能；(7)、功能强大的机械接口和计算机辅助加工接口； (8)、软件的广
34、泛适用性。2、OrCAD结构OrCAD软件系统中的每一部分可以根据需要单独使用，相互之间的内在联系如图图3-1所示的内在联系，共同构成一个完整的EDA系统，对设计项目实施统一管理。使用时不必花过多的时间考虑各个软件的调用、设计数据格式和交换方式，可以将主要精力放在线路设计本身。OrCAD软件中主要软件的功能如下：（1）、OrCAD/Capture CIS。这是一个功能强大的电路原理图设计软件，除可生成各类模拟电路、数字电路和数/模混合电路的电路原理图外，还配备有元器件信息系统CIS，可以对元器件的采用实施高效管理。该软件还具有ICA功能，可在设计电路图的过程中从Internet的元器件数据库中查阅、调用上百万种元器件。（2）、OrCAD/PSpice。这是一个通用电路模拟软件，除可对模拟电路、数字电路和数/模混合电路进行模拟外，还具有优化设计的功能。该软件中的Probe模块，不但可以在模拟结束后显示结果信号波形，而且可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性参数，分析电路特性参数与元器件参数的关系。（3）、OrCAD/Layout Plus。这是一个印刷电路版（PCB）设计软件，可直接
