華科IC課程報告CMOS運算跨導(dǎo)放大器的設(shè)計

1、華中科技大學(xué)ic課程設(shè)計報告題目：cmo小算跨導(dǎo)放大器的設(shè)計院 系：控制科學(xué)與工程系專業(yè)班：自動化1004班姓 名：*學(xué) 號：*同組成員：*指導(dǎo)教師：*2013 年 1 月ii華中科技大學(xué)ic課程設(shè)計報告摘 要本文設(shè)計了一個二級 cmos運算跨導(dǎo)放大器，電路基于 0.35umcmos工藝，通 過選擇合適的結(jié)構(gòu)與參數(shù)獲得需要的帶寬與相位裕度。為保證放大器的穩(wěn)定性，在輸 出與第二級跨導(dǎo)之間引入 miller補償。根據(jù)設(shè)計參數(shù)與電路，采用 viewlogic繪出設(shè)計所需電路圖，并利用 hspice編寫 仿真網(wǎng)表，對整個設(shè)計進行仿真。設(shè)計所涉及的主要參數(shù)包括 gbw,負(fù)載電容，相 位裕度與電源電壓。本

2、課程設(shè)計報告主要內(nèi)容包括：選題分析，小組分工，整體設(shè)計，理論分析，仿 真實現(xiàn)，統(tǒng)籌總結(jié)，感想，致謝，參考文獻和附錄等部分。選題分析主要針對二級cmos運算跨到放大器的背景與應(yīng)用進行分析；小組分工 主要關(guān)于設(shè)計過程中小組成員的任務(wù)職責(zé)與個人任務(wù)的完成情況，同時根據(jù)個人分工不同針對項目整體，理論分析，網(wǎng)表仿真與統(tǒng)籌總結(jié)等不同方面加以具體闡述。關(guān)鍵詞：運算跨導(dǎo)放大器hspice miller補償 0.35umcmos工藝2abstractthis report is about a two-stage cmos operational transconductanceamplifiers and t

3、he circuit based 0.35umcmos process reaching the required bandwidth and phase margin by choosing appropriate structure and parametersto ensure the stability of the amplifier, miller compensation was introduced between the output and the second stage transconductance.according to the design parameter

4、sand circuit, viewlogic was used to design the required circuit diagram,hspice was used to write simulation netlist and the whole designer was be simulated. the main parameters involved in the designer include gbw, load capacitance phase margin and supply voltage.the main contents of the report incl

5、ude analysis of topics, group division of labor, the overall design, theoretical analysis, simulation, summarize, feelings, ,references acknowledgements and appendix section.analysis of topics mainly focuse on the background and application of the two-stage coms operational transconductance amplifie

6、rs, group division of labor is about the duties and personal tasks of the team members and the completion of the individual tasks. according to personal tasks, the report has described overall project, theoretical analysis, netlist simulation and summarize in different degrees.key words： operational

7、 transconductance amplifiers hspice miller compensation 0.35umcmos process華中科技大學(xué)ic課程設(shè)計報告目 錄摘 要i.abstractii1選題分析11.1 設(shè)計要求11.2 設(shè)計背景12小組分工32.1 任務(wù)分布32.2 分工與個人任務(wù)完成 33理論分析43.1 運算放大器工作原理43.2 運算放大器設(shè)計53.3 電路設(shè)計73.4 參數(shù)設(shè)計74仿真實現(xiàn)94.1 仿真環(huán)境介紹94.2 仿真過程介紹 95結(jié)果分析126 心得體會12致 謝13參考文獻14附 錄15iii華中科技大學(xué)ic課程設(shè)計報告1選題分析1.1 設(shè)計要求

8、指導(dǎo)老師：陳曉飛(87611245轉(zhuǎn) 8411, xfchen)助教：沈亞丁 tel: email: 769094724基于0.35um cmos工藝，設(shè)計一個二級miller補償cmos運算跨導(dǎo)放大器電路，要 求滿足：(1) gbw = 15mhz cload= 3 pf;(2) 相位裕度大于70° ;(3) 電源電壓為3.3v。1.2 設(shè)計背景運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)反饋是，閉環(huán)傳輸 函數(shù)與運算放大器的增益幾乎無關(guān)，利用這個原理可以設(shè)計很多有用的模擬電路和系統(tǒng)。運算放大器已經(jīng)成為模擬電路設(shè)計中用途最廣、最重要的部件?？紤]到運

9、算放大器的增益需求，多數(shù)運算放大器采用兩級或多級增益。本次設(shè)計 中采用的兩級運算放大器是最常用的運算放大器之一，結(jié)構(gòu)簡單且實用，其它各種運 算放大器均是在兩級運放的基礎(chǔ)上發(fā)展演變而成。兩級運算放大器將引進"補償”的重要概念，補償?shù)哪康氖窃谶\算放大器加負(fù)反饋 時保持整個電路工作的穩(wěn)定。有許多方法可以對運算放大器做出補償，在二級運算放 大器中，miller補償是比較常見的補償形式。仿真對于驗證和優(yōu)化設(shè)計是必需的。通過模擬仿真可以在一定程度上對設(shè)計結(jié)果進行驗證，并且對手工計算的參數(shù)進一步的優(yōu)化。star-hspice優(yōu)化仿真電路仿真器是anvant公司的工業(yè)級的電路分析軟件，用以電子電路的

10、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及頻域的仿真和分 析。該軟件可以精確的仿真、分析、優(yōu)化從直流到高于100ghz頻率的微波的電路，屬于電路單元設(shè)計與模型處理的理想工具?；趕tar-hspice的有關(guān)特點，整個設(shè)計過 程中，我們采用其作為主要設(shè)計環(huán)境。152小組分工2.1 任務(wù)分布此次ic課程設(shè)計主要包括如下方面：(1)課題整體分析(2)答疑與提問(3)理論分析與電路設(shè)計(4)參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化(5)網(wǎng)表編寫與編譯(6)電路測試與仿真(7)資料查閱與結(jié)果分析(8)撰寫報告2.2 分工與個人任務(wù)完成整個設(shè)計過程中，我主要負(fù)責(zé)理論分析與電路設(shè)計、參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化并參與了對 仿真結(jié)果的修改與優(yōu)化。課程開始前期，我們根據(jù)設(shè)計要求對

11、整個設(shè)計任務(wù)進行了分析與分工，從整體上 將設(shè)計過程分為包括電路與參數(shù)設(shè)計在內(nèi)的理論分析過程與包括網(wǎng)表編寫和仿真在 內(nèi)的驗證過程。在課題整體分析階段，小組成員一起對課題進行了研究，對所需要的相關(guān)知識進 行了總結(jié)和分類，并且由李坤鵬同學(xué)對設(shè)計涉及的相關(guān)模塊進行了分類。理論分析與電路設(shè)計屬于整個設(shè)計過程的前中期，并且作為后期網(wǎng)表設(shè)計與仿真 的主要依據(jù)，對整個設(shè)計過程的進展和設(shè)計結(jié)果具有重要的影響。根據(jù)設(shè)計前期確定 的理論分析和仿真驗證同步進行的原則，我在一開始對設(shè)計中可能用到的理論知識進 行了學(xué)習(xí)，并且通過和其他小組之間的交流，進一步加深了對題目的里解決。交流在 設(shè)計過程中起到了非常重要的作用，通過

12、學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗，可以避免很多思維上的誤 區(qū)和設(shè)計上的彎路。為了進行電路和參數(shù)的設(shè)計，首先需要一定的知識儲備，在確定分工后，我根據(jù)課題有關(guān)資料和圖書館有關(guān)書籍，學(xué)習(xí)了有關(guān)模擬電路設(shè)計原理方面的知識。同時， *同學(xué)開始對仿真驗證所需要的相關(guān)軟件進行了學(xué)習(xí)。在此過程中，李坤鵬同學(xué)整理 了許多資料，在很大程度上加快了設(shè)計的進展。電路與參數(shù)的設(shè)計主要包括電路結(jié)構(gòu)的選擇與參數(shù)的確定兩部分， 考慮的前后知 識的一貫性，兩部分主要都由完成。仿真與驗證工作均基于 hspice軟件，主要有* 同學(xué)負(fù)責(zé)完成。根據(jù)設(shè)計的相關(guān)要求，李坤鵬同學(xué)對設(shè)計的結(jié)果進行了分析和總結(jié)。就整個設(shè)計過程而言，小組的任務(wù)比重如下：*整個設(shè)

13、計過程中，小組成員都根據(jù)各自分工的需要查閱了大量的報告資料，這里 就不再贅述。同時需要強調(diào)的是，本次課設(shè)是團隊合作的結(jié)果。在指導(dǎo)老師和助教的幫助下， 小組成員之間相互配合，共同合作，通過合理的分工與安排共同實現(xiàn)了相關(guān)目標(biāo)。整 個設(shè)計中，沒有誰出于孤軍奮戰(zhàn)的位置，也沒有誰僅僅毫無付出而坐享其成。小組的 每個成員都為此次ic課設(shè)付出了自己的努力，同時各個小組之間的相互的交流與學(xué) 習(xí)也對此次課設(shè)的完成有很大的幫助。3理論分析3.1 運算放大器工作原理運算放大器如圖3.1有兩個輸入端a （反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出 端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓 u-加在a端和

14、公共端 （公共端是電壓為零的點，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點。）之間，且其實際方向從a端高于公共端時，輸出電壓u實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。 當(dāng)輸入電壓u+加在b端和公共端之間，u與u+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。 為了區(qū)別起見，a端和b端分別用"-"和"+”號標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方 向的正負(fù)極性。圖3.13.2 運算放大器設(shè)計運算放大器的設(shè)計可以分為基本結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)選擇兩部分基本結(jié)構(gòu)描述了晶體管的相互關(guān)系與運放內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定, 在整個設(shè)計過程中一般不會有太大的改變。選定結(jié)構(gòu)后，需要根據(jù)設(shè)計要求確定晶體管尺寸

15、、選擇直流電源并且進行電路補 償。在設(shè)計過程中，必須考慮以下條件：(1)電源電壓范圍(2)工作溫度范圍(3)電源電流范圍(4)工藝尺寸規(guī)模(5)工藝規(guī)范(vt, k', cox等參數(shù))根據(jù)設(shè)計的不同要求與運放的不同類型， 設(shè)計運算放大器的設(shè)計過程中需要考慮反相輸入同相輸入輸出部分:如下主要參數(shù)中的一(1)共模輸入(rincm )(2)直流共模(cmrdc)(3) 交流共模抑制(cmrac)(4)增益帶寬積(gbw)(5) 電源抑制比(psrr)(6)轉(zhuǎn)換速率/壓擺率(sr)(7)單位增益帶寬(bw)(8) 共模抑制比(cmrr)(9) 輸入共模范圍(icmr)(10)輸入電壓口聲密度(

16、en)確定結(jié)構(gòu)類型與技術(shù)指標(biāo)后，可根據(jù)近似公式手工計算器件的尺寸，并利用仿 真工具進行電路優(yōu)化設(shè)計。手工計算可以在整個任務(wù)的20%的時間內(nèi)完成大約80%的工作，剩下的20%的優(yōu)化設(shè)計工作可能需要80%的時間完成。總體來說，設(shè)計過程有兩個主要步驟。第一是設(shè)計的概念，第二是設(shè)計的優(yōu)化。設(shè)計的概念提出滿足給定指標(biāo)要求的結(jié)構(gòu)。通常，這一步用手工計算完成。第二步 是為了進行初步設(shè)計、驗證并優(yōu)化。3.3 電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，電路采用標(biāo)準(zhǔn)兩級運算放大器電路。通過電流源實現(xiàn)直流偏置，并且在輸出與第二級跨導(dǎo)輸入間引入電容cc實現(xiàn)miller補償?；倦娐方Y(jié)構(gòu)如圖所示：o- vm -2mm6 clm8m51&#

17、163;t0m73.4 參數(shù)設(shè)計確定電路基本結(jié)構(gòu)后，可以根據(jù)設(shè)計要求，確定電路中各晶體管參數(shù)與補償電容 參數(shù)。本次設(shè)計已知參數(shù)如下：(1) 增益帶寬積gbw = 15mhz(2) 負(fù)載電容cload = 3pf(3)相位裕度大于70(4) 電源電壓3.3v首先根據(jù)負(fù)載電容與相位裕度要求計算補償電容cc最小值：(31)cc 0.4(3pf) = 1.2pf選定cc為1.2pf設(shè)計無壓擺率要求，故：i5 = 20a根據(jù)輸入的共模范圍，可以確定 m3, m4尺寸范圍:s3 =(w/l)3i 5(k'3)vdd(最大)-|vto3|(最大)vr1 (最小)2由于設(shè)計無icmr要求，故可取參數(shù)：

18、s3 = s4 = 18根據(jù)cc與增益帶寬關(guān)系，可以確定輸入管跨導(dǎo)：gm1=(15 106)(2二)(1.2 10一12) = 113.6寬長比(w/l)1直接由gm1得出如下：si 二(w/l)52g m1(k'i)(i5)(w/l)1 = (w/l)2 = s1 = 7.7由于設(shè)計無相關(guān)參數(shù)要求，通過近似估計可得：(w/l)5 2 (w/l)1 = 15.4根據(jù)經(jīng)驗公式：i6 4i5 = 80 1a直流電流i 6計算公式為：2g m6i 62k'6 s6根據(jù)公式3-9與3-10可計算得：s6 296(3 2)(33)(3 4)(35)(3 6)(37)(38)(39)(31

19、0)(311)m7管的尺寸可以由下面給出的平衡方程式?jīng)Q定：(312)(313)(315)s7 =4)i 5根據(jù)公式3-12可以計算得：s7 = 61.6根據(jù)電路的對稱性，偏置電流源電流：i 二 20 1a4仿真實現(xiàn)4.1 仿真環(huán)境介紹此次設(shè)計采用avant公司的工業(yè)級電路分析軟件 star-hspice hspice擁有無與倫 比的優(yōu)勢用于快速精確的電路和行為仿真。它使電路級性能分析變得容易。star-hspice與絕大多數(shù)spice的變種相兼容，并有如下附加的特征：4.2 優(yōu)秀的收斂性(2)精確的模型，包括許多加工模型(3)層次節(jié)點命名參考(4)對模型和電路單元的最優(yōu)化，在 ac, dc和瞬

20、態(tài)仿真中，帶有遞增和同步的 多參數(shù)優(yōu)化。(5)帶解釋的monte carlo和極壞設(shè)計支持(6)可參數(shù)化單元的輸入輸出及行為算術(shù)描述(algebraics)(7)有對高級邏輯仿真器校驗庫模型的單元特征化工具(8)對pcb板，多芯片,包裝，ic技術(shù)的幾何損耗耦合傳輸線(9)離散部件，針腳，包裝和銷售商ic庫(10)來自于多重仿真的avanwaves交互式波形圖和分析4.3 仿真過程介紹仿真基于*所編寫的網(wǎng)表代碼，得到的相關(guān)截圖如下：第 hspui - 5556file configuration tool hdpdesign casynopxdemol o.«p丁北加os_2_gm_a

21、m plify"',listing synapsysdemo10.lis* mullicpu optiun 1verfion |匚:，到門口口型式htprce_c-2009.09binhspice.exel- start c/s modei- ute c/s modew/1方亡' new?ver:c-2009.0上圖為hspice主操作界面仿真曲線顯示設(shè)置，選擇所需觀察參數(shù)二:;am2ek b-joctm-splehalifil工：fasrs-4m l-o-oli el.心|如當(dāng)ib!同,嫂制用帽，隨身瓶，兩ikl'hgl<x1l«nixrra

22、fuiej 3vl gjtrz：i"k-l e db kll仿真結(jié)果顯示，獲得需要的幅頻曲線與相頻曲線仿真所需要的主要代碼見附錄，關(guān)于仿真的具體過程詳見同組成員*同學(xué)報告5結(jié)果分析仿真所得曲線如下:. 中ee日-友臉如；加麗江河&i3lp. ukle 口fasnr-i!raelp上如芻ib!濡理中用叫于i聽用1如11l皿xhfl iuktz：il>k由仿真結(jié)果可以看出，gbw=15.9mhz,相角裕度為-110° +180° =70°。該仿真結(jié)果符合實驗預(yù)期參數(shù)要求。以上報告主要基于此次課設(shè)中我所負(fù)責(zé)的工作以及完成情況，重點針對課設(shè)中原理分

23、析與電路設(shè)計部分。報告中涉及的仿真與實現(xiàn)等內(nèi)容未進行詳細(xì)介紹，具體細(xì)節(jié) 可以參見小組其它成員ic課程設(shè)計報告。6心得體會致 謝在此次課設(shè)過程中，我們獲得了來自許多方面的幫助，特在此:衷心感謝對整個ic提供知識講解的* ;衷心感謝負(fù)責(zé)此次課題的*;衷心感謝在課設(shè)過程中提供很多經(jīng)驗和資料的 *;衷心感謝學(xué)校圖書館所提供的書籍資料和各大數(shù)據(jù)庫使用權(quán)限;衷心感謝小組各位成員：* ;（排名不分先后）參考文獻1劉剛，雷銘，高俊雄，陳濤.微電子器件與ic設(shè)計基礎(chǔ)（第二版）.科學(xué)出版社，2009.82 philip e. allen douglas r. holberg 著，馮軍，李智群譯.cmos analog circuit design secondedition3尹睿.二級密勒補償運算放大器設(shè)計教程.復(fù)旦大學(xué)4康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社.5鐘文耀，鄭美珠.cmos電路模擬與設(shè)計.科學(xué)出版社,2007.76鄒雪城，雷銘，鄒志革，劉政林 .vlsi設(shè)計方法與項目實施.科學(xué)出版社，2007.8附錄軟件仿真主要網(wǎng)表代碼：*cmos_2_gm_am