基于Spectre運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

1、集成電路CAD課程設(shè)計(jì)報告 課 題：基于Spectre運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)一：課程設(shè)計(jì)目標(biāo)及任務(wù)利用Cadence軟件設(shè)計(jì)使用差分放大器，設(shè)計(jì)其原理圖，并畫出其版圖，模擬器各項(xiàng)性能指標(biāo)，修改寬長比，使其最優(yōu)化。二：運(yùn)算放大器概況運(yùn)算放大器（operational amplifier），簡稱運(yùn)放（OPA），如圖1.1所示：圖1.1運(yùn)放示意圖運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過加減乘除的計(jì)算。今日的運(yùn)算放大器，無論是使用晶體管或真空管、分立式元件或集成電路元件，運(yùn)算

2、放大器的效能都已經(jīng)接近理想運(yùn)算放大器的要求。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時，常常會利用分立式元件來實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。三：原理圖的繪制及仿真3.1原理圖的繪制首先在Cadence電路編輯器界面繪制原理圖如下：圖3.1電路原理圖原理圖中MOS管的參數(shù)如下表：Instance nameModelW/mL/mMultiplierLibraryCell nameView nameM1nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbolM2nmosl800n500n1Gpdk180nmossymb

3、olM3pmosl1.1u550n1Gpdk180pmossymbolM4pmosl1.1u550n1Gpdk180pmossymbolM5nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbolM6nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbol另：圖中所使用的電壓源為5v3.2運(yùn)算放大器的增益仿真首先繪制測試電路原理圖如下：圖3.2.1運(yùn)算放大器增益仿真電路圖圖中包含運(yùn)算放大器電路和偏置電路兩部分。偏置電路為運(yùn)算放大器提供電源電壓（VDD）、共模電壓（Vcm）以及偏置電流（Ibias），從而確定運(yùn)算放大器的直流工作點(diǎn)。輸入電壓加在運(yùn)算放大器的兩個輸入端之間，大小設(shè)置為1

4、V的交流信號，從而使得輸出電壓的大小與增益一致，從而減少了設(shè)計(jì)步驟。 在ADE窗口選擇交流仿真，掃描變量為頻率，掃描范圍為0.1Hz1GHz。完成設(shè)置后進(jìn)行仿真。 因?yàn)檩斎虢涣麟妷菏?V，因此輸出端“Vout”的電壓值等于運(yùn)算放大器的增益。為了觀察幅頻特性，需要計(jì)算輸出端電壓的幅值。通過“Mag”，對“Vout”進(jìn)行取幅值的預(yù)處理，然后就可以將處理好的仿真結(jié)果輸出到“Waveform”中觀察。得到如下圖：圖3.2.2增益的幅頻特性 對于運(yùn)算放大器的幅頻特性，除了直接顯示幅值以外，更一般的是顯示增益幅值的dB曲線，即對幅值作“20log(n)”變化，得到如下圖所示：圖3.2.3增益幅值的dB曲線

5、對于運(yùn)算放大器的相頻特性，在“Results Browser”中選擇“phase”函數(shù)對交流仿真結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理后輸出得到。并通過“Append”命令，將相頻特性添加到原有的幅頻特性中，如圖所示：圖3.2.4紅色代表“幅頻”，藍(lán)色代表“相頻”3.3運(yùn)算放大器的帶寬仿真 這里說的帶寬，主要是指運(yùn)算放大器的小信號帶寬。常用的義有兩個：3dB帶寬和單位增益帶寬。仿真原理圖如下：圖3.3.1帶寬仿真電路圖3.3.1 3dB帶寬定義：Av(w0)=20lgAv(0)-3dB 首先觀察增益的幅頻特性曲線，并根據(jù)3dB帶寬的定義測量得到3dB的帶寬。在“Waveform”窗口中，將光標(biāo)移到增益幅頻曲線的低頻部

6、分，點(diǎn)擊快捷鍵“m”，在曲線上添加標(biāo)簽，給出標(biāo)記點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)（1.1118Hz，37.24dB）。接著點(diǎn)擊快捷鍵“V”，將光標(biāo)切換成豎直光標(biāo)類型，即光標(biāo)變成一條垂直的直線，并且直線上方有一個紅色的倒三角，通過拖動該三角，可以移動垂直光標(biāo)。 如圖3.3.2所示，垂直光標(biāo)和運(yùn)算放大器增益幅頻曲線的交點(diǎn)的坐標(biāo)（7.8915MHz，34.27dB）在波形的左上角給出，并隨著垂直光標(biāo)的左右移動實(shí)時改變。當(dāng)增益為34.27dB時，輸入信號的頻率為7.8915MHz，因此可以近似認(rèn)為3dB帶寬為7.8915MHz。圖3.3.2增益的幅頻特性曲線精確獲得3dB帶寬的方法是使用“Calculator”軟件

7、中“bandwidth”函數(shù)。在“Results Browser”中的“ac-ac”中選擇“Vout”仿真結(jié)果。右鍵選擇“Calculator”。仿真結(jié)果被輸送到“Calculator”中，選擇“bandwidth”函數(shù)。輸入?yún)?shù)點(diǎn)擊“OK”完成“bandwidth”的設(shè)置，點(diǎn)擊“Eval”鍵，將在“Calculator”緩存窗口中顯示計(jì)算的運(yùn)算放大器的3dB帶寬。如下圖所示：圖3.3.3 3dB帶寬從圖3.3.3中科院看出該運(yùn)算放大器的3dB帶寬為8.256MHz。3.3.2 單位增益帶寬和3dB帶寬一樣，運(yùn)算放大器的單位增益帶寬也可以用“Calculator”中的“cross”函數(shù)計(jì)算，該

8、函數(shù)是專門用來計(jì)算曲線經(jīng)過一個特定閾值的橫坐標(biāo)。對于計(jì)算單位增益帶寬，只需要對運(yùn)放的增益曲線使用“cross”，并將閾值設(shè)為“1”，函數(shù)返回的值即是運(yùn)放的單位增益帶寬。設(shè)置好“cross”函數(shù)的參數(shù)后點(diǎn)擊“Eval”的到：圖3.3.4單位增益帶寬從圖3.3.4可以看出該運(yùn)算放大器的單位增益帶寬約為556.4MHz。3.4運(yùn)算放大器的建立時間 建立時間（settling time）是衡量運(yùn)放反應(yīng)速度的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，它表示從跳變開始到輸出穩(wěn)定的時間。它主要是針對運(yùn)算放大器的小信號特性，在跳變過程中，運(yùn)放還保持線性。 在實(shí)際電路設(shè)置中，可以通過“Calculator”中的“settling tim

9、e”函數(shù)來測量運(yùn)算放大器的建立時間。首先將運(yùn)放連接成單位增益負(fù)反饋的形式，即將運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端短接，從而使得負(fù)反饋系統(tǒng)的閉環(huán)增益為1，即輸入電壓跟隨加載在運(yùn)算放大器同相端的輸入信號。在運(yùn)算放大器的同相載一個幅度為2mV的階躍信號，如下圖所示：圖3.4.1建立時間仿真電路圖差分輸入的階躍信號電壓源使用一個脈沖電壓源來模擬。該脈沖電壓源可以在“analogLib”庫中找到，其名為“vpulse”。脈沖的低電平為0V，高電平為2mV，跳變延遲為10ns，上升和下降沿寬度為10ps，脈沖寬度為1s。因此當(dāng)瞬態(tài)仿真時間小于1s時，都可以將該脈沖電壓看作10ns處跳變的階躍電壓。因?yàn)榻r間

10、是運(yùn)算放大器在時域?qū)斎胄盘栱憫?yīng)的一個性能參數(shù)，因此為了對此進(jìn)行仿真測量，需要進(jìn)行瞬態(tài)仿真。在ADE窗口中選擇“tran”，結(jié)束時間設(shè)為“200ns”，仿真精度設(shè)為“conservative”，將“Vout”作為輸出端，開始仿真。得到如下圖： 圖3.4.2建立時間瞬態(tài)仿真在“Calculator”中保持“Select Mode”處于選擇狀態(tài)，在選擇模式中選擇“tran”里的“vt”項(xiàng)，點(diǎn)擊電路圖中的“Vout”，將“Vout”端的瞬態(tài)電壓仿真結(jié)果捕獲到“Calculator”中，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊“Eval”得到計(jì)算結(jié)果如下：圖3.4.3建立時間計(jì)算結(jié)果 從圖中可以看出該運(yùn)算放大器的建立時間為1

11、7.5ns。3.5 運(yùn)算放大器的相位裕度仿真圖3.5.1 相位裕度仿真電路圖相位裕度（phase margin,PM）是電路設(shè)計(jì)中很重要的一項(xiàng)指標(biāo)，主要用來表示負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時可以用來預(yù)測閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過程。 相位裕度的定義為：運(yùn)算放大器增益的相位在增益交點(diǎn)頻率時，與-180°相位的差值，表達(dá)式為：PM=Av（wl）-(-180°)=Av（wl）+180°，式中wl為運(yùn)算放大器的增益交點(diǎn)頻率（使增益幅值等于1的頻率點(diǎn)為“增益交點(diǎn)”）。 利用“Calculator”的“phase-Margin”函數(shù)獲得運(yùn)算放大器的相為裕度如下圖所示： 圖3.5.2相位裕

12、度從圖中可以看出該運(yùn)算放大器的相位裕度為65.33°。3.6 運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率仿真圖3.6.1轉(zhuǎn)換速率仿真電路圖 進(jìn)行瞬態(tài)仿真后，輸出電壓的時域響應(yīng)如下圖所示： 圖3.6.2 輸出電壓的時域響應(yīng)從上圖中可以看出，輸出電壓“Vout”在跳變之后的一段時間內(nèi)并沒有按指數(shù)規(guī)律變化，而是表現(xiàn)出具有不變斜率的線性斜率。這就是負(fù)反饋電路中使用的運(yùn)算放大器表現(xiàn)出的所謂“轉(zhuǎn)換”的大信號特性，圖中輸出響應(yīng)中的“斜坡”部分的斜率稱為“轉(zhuǎn)換速率”。通過使用“Calculator”中的“slew Rate”函數(shù)根據(jù)瞬態(tài)仿真結(jié)果計(jì)算運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率。得到結(jié)果如下：圖3.6.3 轉(zhuǎn)換速率從圖中可以看出該運(yùn)算放

13、大器的轉(zhuǎn)換速率約為0.4729V/us。3.7 運(yùn)算放大器的共模抑制比仿真 差動放大器的一個重要特性就是其對共模擾動影響的抑制能力（CMRR）仿真電路圖如下： 圖3.7.1 CMRR仿真電路圖 再次進(jìn)行交流仿真，得到輸出端“Vout”的增益曲線，即為運(yùn)算放大器CMRR的倒數(shù)的幅頻特性曲線，這里為了方便觀察，采用了dB作為縱軸單位。如下圖所示：圖3.7.2CMRR倒數(shù)的幅頻特性曲線 為了觀察運(yùn)算放大器CMRR的幅頻特性曲線，可以使用“Calculator”中的“1/X”函數(shù)，對仿真結(jié)果取倒數(shù)。如下圖所示：圖3.7.3CMRR的幅頻特性曲線（藍(lán)色曲線）3.8運(yùn)算放大器電源電壓抑制比仿真因?yàn)樵趯?shí)際使

14、用的電源也含有噪聲，為了有效抑制電源噪聲對輸出信號的影響，需要了解電源上的噪聲是如何體現(xiàn)在運(yùn)算放大器輸出端的。把運(yùn)算放大器輸入到輸出增益除以電源到輸出的增益定義為運(yùn)算放大器的電源抑制比（Power supply rejection ratio,PSRR），所以電源抑制比可以寫為：式中的Vdd=0和Vin=0是指電壓源和輸入電壓的交流小信號為零，而不是指它們的直流電平。仿真電路圖如下：圖3.8.1 PSRR仿真電路圖再次進(jìn)行交流仿真，得到輸出端“Vout”的增益曲線，即為PSRR的倒數(shù)的幅頻特性曲線。如下圖所示：3.8.2 PSRR倒數(shù)的幅頻特性曲線使用“Calculator”中的“1/X”函數(shù)

15、，對仿真結(jié)果取倒數(shù)。如下圖所示：圖3.8.3 PSRR的幅頻特性曲線（藍(lán)色曲線） 由于電路仿真時，認(rèn)為MOS管都是完全一致的，沒有考慮制造時MOS管的失配情況，因此仿真得到的PSRR都要比實(shí)際測量時好，因此在設(shè)計(jì)的時候需要留有余量。四：運(yùn)算放大器的版圖布局4.1 版圖設(shè)計(jì) 這次我們的版圖設(shè)計(jì)采用的是對管的形式，即對角線為一個管子，采用并聯(lián)的形式將兩個管子并聯(lián)起來作為一個管子。這樣做的好處是可以抵消電流差，是電流保持一致。 首先我們調(diào)用四個pmos和七個nmos單元，將兩個pmos并聯(lián)形成一個pmos，兩個nmos 并聯(lián)形成一個nmos，將剩余的一個nmos單獨(dú)使用。然后根據(jù)原理圖連接如下圖所示：圖4.1.1差分運(yùn)放版圖4.2 版圖驗(yàn)證 首先進(jìn)行DRC電氣規(guī)則檢查，然后進(jìn)行LVS檢查，得到如下圖所示結(jié)果了，則證明版圖沒有錯誤： 版圖驗(yàn)證無誤后進(jìn)行設(shè)計(jì)的后仿真，打