集成电路CAD 放大器的设计

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1、设计题目：基于Spectre运算放大器的设计扬州大学广陵学院课程设计报告间31辱时级.微电81001晶._ _ _ mm aL -学 号：100036137一运算放大器概况3二. 理想运算放大器3三. 运算放大器的设计4四. 运算放大器的性能仿真1运算放大器的增益仿真42运算放大器的带宽仿真73运算放大器的建立时间仿真84运算放大器的相位裕度仿真95运算放大器的转换速率仿真106运算放大器的共模抑制比仿真127运算放大器的电源电压抑制比仿真14五. 运算放大器的版图布局15六. 心得体会18一、运算放大器概况1、运算放大器运算放大器(operational amplifier)，简称运放(OP

2、A),如图1。输出同相输入1运放示意图运算放大器最早被设计出来的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，无论是使用晶体管或真空管、分立 式元件或集成电路元件，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。二、理想运算放大器实际运放的开环电压增益非常大，可以近似认为A=8和

3、e=0。此时，有限增益运放模 型可以进一步简化为理想运放模型，简称理想运放。如图2。(1) 差模电压增益Aoj=8;(2) 共模抑制比CMRR* (共模增益=0)；(3) 差模、共模输入电阻Rid、Ric=8，偏置电流Iib=0；(4) 输出电阻Ro=0；(5) 失调电压Uos、失调电流Ios，以及它们的温度系数均为0；(6) 转换速率SR=8；带宽=8；(7) 干扰或噪声均为0。、理想运算放大器的虚短和虚断虚短“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称 为虚假短路，简称虚短。对于实际应用中的运算放大器，在闭环工作时虚短”才成立。因为运算放大器的电压放大倍数

4、非常大,而运放的输出电压是有限的，所以运放的差模 输入电压很小，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端 的电位越接近。(2)虚断“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为 虚假开路，简称虚断。因为运算放大器的差模输入电阻非常大，所以流入运算放大器输入端的电流往往较小， 远小于输入端外电路的电流。故可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端 越接近开路。三、运算放大器的设计本设计使用差分放大器，这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。 它可以是双端输入和输出，也可以是单端输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路

5、的相互 转换，是各种集成电路的一个基本单元。R如图3,由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。若两个输入端分 别输入大小相同且相位相同的信号时，输出为零，从而克服零点漂移。_vEE图3差分放大器四、运算放大器的性能仿真1、运算放大器的增益仿真、增益的频率特性该特性对信号滤波、反馈系统稳定性都起着决定性的作用。如图4：图4运算放大器增益仿真电路图原理图中MOS管的参数如下表：Instance nameModelW/mL/mMultiplierLibrary nameCell nameView NameMlnmosl800n500n1gpdk180nmossymbolM2nmos18

6、00n500n1gpdk180nmossymbolM3pmos11.1u550n1gpdk180pmossymbolM4pmos11.1u550n1gpdk180pmossymbolM5nmos1800n500n1gpdk180nmossymbolM6nmos1800n500n1gpdk180nmossymbol另：电路图中所使用的电压源为5V。、读取并分析仿真结果File Edit Frame Graph Axis Trace Marker Zoom Tools Help13 Lab el |Dec 31, 2013AC Response6.9729MHz |55.1 IVfreq (Hz)

7、|横 | 国 stu208回localhostTgllO| 口 icfb| opa口 Virtuoso Analog Design E. 口 Graph Window 20图5增益的幅频特性图6增益幅值的dB20曲线-(3OJP)羽 EUd尊 fl stu208localhost:A. 口 icfbII opa口 Virtuoso Analog De. 口 Results Browser Graph Window 09.Applications Places System(.) 3:19 PM 1 GHz)图7红色代表“幅频”，蓝色代表“相频”2、运算放大器的带宽仿真、3dB带宽.Applic

8、ations Places System 信File Edit Frame Graph Axis Trace Marker Zoom Tools HelpRd Label Dec 31, 2013AC Analysis sac: freq = (100 mHz - 1 GHz)t Press m key to place marker.| Virtuoso Analog De. | Results Browser| Graph Window 0| S图8增益的幅频特性曲线、单位增益带宽图9 3dB带宽从图4.2.1.3可以看出该运算放大器的3dB带宽为8.256MHz3、运算放大器的建立时间仿

9、真图10建立时间仿真电路图图11建立时间瞬态仿真在“Calculator”中保持“Select Mode”处于选择状态，在选择模式中选择“tran”里的“vt”项，点击电路图中的“Vout”，将“Vout”端的瞬态电压仿真结果捕获到“Calculator”。点击“Calculator”中的“Eval”，将在“Calculator”的缓冲窗口中显示计算出的结果。如图3.3.4所示：图12建立时间计算结果从图3.3.4中可以看出该运算放大器的建立时间为17.5ns。4、运算放大器的相位裕度仿真I=550nrpmcislVv-1;1 uft800nl=50gn.m; 1 .l=550n-1-500

10、nrr-PM1 pmosl Vv -1 JtJ .nm。必”=8000R： sevOperiDRLBrowser()mouse L: schSingleSelectPt()M： schHiMousePopUp()图13相位裕度仿真电路图图14相位裕度从图3.4.2可以看出该运算放大器的相位裕度为65.33。5、运算放大器的转换速率仿真图15转换速率仿真电路图图16输出电压的时域响应从上图中可以看出，输出电压“Vout”在跳变后的一段时间内并没有按照指数规律变化， 而是表现出具有不变斜率的线性斜率，如图4.5.2中红色虚线框所示。这就是负反馈电路中 使用的运算放大器表现出的所谓“转换”的大信号特

11、性，图4.5.2中输出响应中的“斜坡” 部分的斜率称为“转换速率”。图17转换速率从图4.5.4可以看出该运算放大器的转换速率约为0.427V/us。6、运算放大器的共模抑制比仿真图18 CMRR仿真电路图Applications Places SystemGraph Window 47RjLabel Dec 31, 2013AC Analysis ac1: freq = (100 mHz - 1 GHz)(己昌P-70.010-110IO1IO2| 144.02MHz |_-14.058V口 5tu208localhost：/.|口 icfb| opa| 口 Virtuoso Analog

12、De. | 口 Results Browser| 口 Graph Window 0图19 CMRR倒数的幅频特性曲线为了观察运算放大器CMRR的幅频特性曲线，可以使用“Calculator”中的“1/乂”函数，对仿真结果取倒数。如图4.6.3： Applications Places SystemGraph Window 47File Edit Frame Graph Axis Trace Marker Zoom Tools HelpDec 31, 2013|承 41 5tu208localh。. | E icfb?| opa| Virtuoso Analo. | Results Browse

13、r | Graph Window 0 | C Calculator一ospRd Label 图20 CMRR的幅频特性曲线（蓝色曲线）7、运算放大器的电源电压抑制比仿真图21 PSRR仿真电路图再次运行交流仿真，得到输出端“Vout”的增益曲线，即为PSRR的倒数的幅频特性曲线。如图22： Applications Places SystemGraph Window 57File Edit Frame Graph Axis Trace Marker Zoom Tools HelpRd Label 鲁图舞m同囹百圄贵沪ti陆！ ma骨专E3Dec 31, 2013AC Analysis sac:

14、 freq = (100 mHz - 1 GHz)so算-40.0IO3104IO5106109freq (Hz)10-110101IO2| 161.93MHz |-11.93427V|承 5tu208localh。. E icfb?| opa Virtuoso Analo. | /home/stu208/si. | Results Browser | Graph Window 0| 日图22 PSRR倒数的幅频特性曲线使用“Calculator”中的“ 1/x”函数，对仿真结果取倒数。如图23Graph Window 57Rd Label Dec 31, 2013-s o骂|靖| | 口 s

15、tu208loca. | 口 opa| Virtuoso An. | O /home/stu20. | Results Browser | 口 Graph Windo. | Calculator H闩图23 PSRR的幅频特性曲线（蓝色曲线）四、运算放大器的版图布局完成版图的设计输入，如图24所示：1.进行DRC检验，VLE窗口点击AssuraTechnology,点击AssuraRun Drc，出现对话窗 口，Technology项点选gpdk180,输入DRC的文件路径。进行DRC电气规则检查。如图 24：图24 DRC检验2.进行LVS检验，VLE窗口点击AssuraRun Lvs，在对

16、话框中，选择techflie library： gpdk180和规则文件LVS文件，如图25所示： Applications Places SystemVirtuosoSchematic Editing: project zengyi schematicmouse L: schSingLeSelectPt()M: schfiiMousePopUp ()R： vuiLVSRim()| J stu208localho.3| 口 Ucfb| 口 LSW| project| zengyiVLWII Form图25电路原理图Virtuoso Layout Editing: project project

17、 layout_ |回| XX: -7.79 Y: -5.47(F) Select: 0 DRD: OFF dX: -3.37 dY: 4.0Z Dist: 5.246 Cmd:匕Tools Design VAndow Create Edit Verify Connectivity Options Routing Assura Migrate CaJibreHelpo you want to close current proj ect andSummary of LVS IssuesExtraction Infrmation:Comparison Information：0000cells

18、havecells havecells havecells have0 cells have 0 mal-formed device probLems 0 cells have 0 label short probLems 0 ceLla have 0 label open problems0 Net nisnatches0 Device nisnatches0 Pin nisnatches0 Parameter nisnatchesSchematic and LaytYou currently have an open run (project).mouse L: mouseSingleSe

19、LeetPtM： LeHiMousePopUp()R： vuiLVSRun()21Run： project /home/stu208/gL10/# j阻5tu208k)calhost：Zr| 口 icfb回LSW口 project 口 旧engyi上 MW画3图25 LVS检验3.设计的后仿真，打开测试电路，启动ADE仿真窗口，然后SessionLoad State,选择电子 保存的“save state”，点击OK。选择 SetupEnvironment,在框内 schematic前加入av_extracted, OK。接着运行，将得到的波形图26和前仿真图5对比。, Applications Places System3:16 PM | 31 stu208localhost:/gll0| icfb| opa Virtuoso AnalogDesign E. | 口Graph Window 20 e图26设计的后仿真对比两图可以看出，他们的波形基本一致。六、心得体会通过此次的实验设计让我对cadence软件有了更加深刻的了解。我知道了模拟集成电路 放大器的设计和测试，让我对运算放大器的增益仿真、带宽仿真、建立时间仿真运算、相位 裕度仿真、转换速率仿真、共模抑制比仿真、电源电压抑制比仿真更加了解，这对以后的学 习和工作都是有帮助的。最后感谢老师的帮助和教导。