IC设计-电流型运算放大器

1、精选优质文档-倾情为你奉上 IC课程设计报告题 目： 电流型运算放大器的设计 编 号： （10） 成 绩 ： 摘 要本文主要介绍了利用MOS管及基本器件搭建电流型运算放大器的整体设计流程，从原理分析到实际手工计算，同时对设计电路进行了详尽的仿真分析，并对主要的性能指标（直流工作点，增益带宽积，开环增益，静态电流）进行了系统化的分析和验证。文中详细说明了在设计过程中所遇到问题的解决方案，计算过程，软件使用及Hspice仿真代码的解释。关键词：电流型 运算放大器 直流工作点 增益带宽积 开环增益 静态电流 Hspice AbstractThis paper mainly introduced th

2、e use of MOS pipe and basic device set up current model of operational amplifier overall design process, from theory analysis to the actual manual calculation, and the circuit design for a detailed simulation analysis, and the main performance index (DC Operating Point , GBW， open-loop gain, static

3、current) the systematic analysis and verification. This paper details in the design process of the solution of the problem, the calculation process, the software use and Hspice simulation code explanation.Key words: current model operational amplifier DC Operating Point GBW open-loop gain static cur

4、rent Hspcie专心-专注-专业目 录1 第一章：课题理解1.1 课题内容与要求课题题目：电流型运算放大器的设计电流型运算放大器是一种对电流信号进行放大的电路，相对于电压型运算放大器，它具有更快的速度和更大的输入噪声。本题目的要求是设计一款电流型运算放大器，在5V电源电压条件下，其性能尽可能满足如下指标：1. 开环增益大于60dB；2. 增益带宽积大于5MHz；3. 转换速率大于50V/us；4. 静态电流小于2mA。1.2 课题分析1.3.1 背景调查 电压运算放大器受信号传递方式的限制，在工作速度和频率方面不能满足高速系统的需求。采用电流模技术设计和制造的电流型运算放大器在工作速度、

5、精度、带宽和线性度方面均获得很高性能。电压运算放大器输出电压与同相输入端和反相输入端电位差有关，动态特性受增益带宽积与转换速率影响。电流型运放以电流为输入信号，电压为输出信号，强调电流模运算，寄生节点电容影响小速率快。1.3.2 设计基础原理本次设计主要采用MOS管搭建基础电路，故有必要在设计前，对单管的设计参数进行一定的计算分析，这样既可以更加灵活的掌握MOS管的特性，又可以积极有效的应用各项参数：1） 单管的主要参数：开启电压VT:VT是增强型MOS管的参数。当DS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅源间的电压。（本次设计电路所用到的均为增强型MOS管）输出电阻ro：ro= 【此公式第

6、二个等号之后仅适用于NMOS】夹断电压VP:VP是耗尽型MOS管的参数。当DS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅源间的电压。（本次设计未用到耗尽型MOS管）低频互导gm:gm=2Kn'(-)= 【=】2） Sah-萨支唐方程：对于NMOS饱和区： 【考虑了沟长调制效应】对于PMOS饱和区3) 输出特性曲线： （1）增强型输出特性曲线尤其应该注意的是MOS管的工作范围，我们要求的是让MOS管工作在饱和区，即。我们需要的即是这个工作范围。2 第二章：设计具体过程2.1 部结构图设计2.2 各元件参数设置2.3.1 确定电流由于转换速率：题目要求SR>50V/us，设定，所以输出

7、电流（OCA_A中最右边的四个管子）Io>1000uA，设定为1400uA设定IBA、IBB为110uA，则电路图右半部分已经消耗1400uA又因为题目要求静态电流IQ<2mA，所以IB不能超过因为在10左右，所以我们选择IB=100uA到这里，所有管子的电流都确定了：左边六个管子电流是IB=110uA，最右边四个是IB*B=1400uA，剩余两个是IBA=IBB=100uA2.3.2 过驱动电压的设置过驱动电压Vgs-Vt设置如下： 2.3.3 MOS管长度的确定 全部设定为0.5um2.3.4 MOS管宽度的确定则由公式：可算出所有管子的宽度（结果此处略，数据见后面的综合）2.

8、3.5 输入电阻Ri大小的确定输入电阻Ri由以下四个管子确定：由于：所以：=2×120uA÷0.2V=1.2×10-3uT在这里，Ids一样，Vgs-Vt均设置为0.2V，所以：=909输入电阻为：=9092、输出电阻Ro的确定首先将输出的六个管子分为两部分（N管组成的下半部分和P管组成的上半部分），考虑下半部分，并等效为小信号模型：可以列出方程：由以上公式可以得到：这个式子表示的是下半部分的输出电阻，而OCA的输出电阻由两部分组成，所以开环输出电阻为：根据公式：分别算出：gmn1 =2×100uA÷0.2V=1×10-3 T gmn

9、2 =2×1400uA÷0.35V=8×10-3 T gmp1 =2×100uA÷0.2V=1×10-3 T gmp2=2×1400uA÷0.35V=8×10-3 T由于厄利电压：（与W相关度不大）NMOS: PMOS:LVEn LVEp0.5u5V 0.5u4.5V1u14V 1u10.5V5u60V 5u50V这样输出电阻就为：ro=VEp/IDS这里，由于选取的长度为0.5um,则厄利电压为：应分别选取： N管：5V ,P管：4.5V这样计算得到：Romn4=VEn/IDS=5V/100uA=50K

10、Romn5=VEn/IDS=5V/1400uA=3.6KRomn6=VEn/IDS=5V/1400uA=3.6KRomp4=VEp/IDS=4.5V/100uA=45KRomp5=VEp/IDS=4.5V/1400uA=3.2KRomp6=VEp/IDS=4.5V/1400uA=3.2K则算得： = (1×10-3 T×50K×8×10-3 T×3.6K×3.6K)/(1×10-3 T×45K×8×10-3 T×3.2K×3.2K ) =5.8M2.3.6 反馈电阻Rf和源电

11、阻Rs的确定到这里，所有的管子的宽度、长度以及所有的电流都确定了，只剩下外部电阻。由于假设：B*Rf>>RiB*Rs>>RiRo>>Rf>>RsB=11.7，则可以确定Ri、Ro的值。由于：B*Rf>>RiB*Rs>>RiRo>>Rf>>Rs得到：12Rf>>1k12Rs>>1k16M>>Rf>>Rs又因为：题目要求增益大于60dB，也就是1000综合以上因素，设置Rs=1k，Rf=1.2M附：初步计算的参数设置表MN1MN2MN3MN4MN5MN6L

12、(um)0.50.50.50.50.50.5M(um)21.42921.4296.99717.85781.63381.633MP1MP2MP3MP4MP5MP6L(um)0.50.50.50.50.50.5M(um)24.490757562.5285.714285.714RfRsIBAIBBVDDCL1.4M1k100uA100uA5V20pFRinRoutIBIoKnKp833.35.6M120u1400u140402.3 手工计算指标验证 21.11.21.31.41开环增益大于60dB；低频增益为，由Rf：Rs>=1000:1增益大于60dB2增益带宽积大于5MHz； （待仿真结果

13、才能计算） 由于增益1028,所以增益带宽积为40.9MHZ>5MHZ3转换速率大于50V/us； =1400uA÷20pf=70V/us4静态电流小于2mA。静态电流IQ=2IB+IBA+IBB+Io=200uA+100uA+100uA+1200uA=1.6mA<2.0mA经过仿真后微调了参数，后来发现发现B理解错，管子的宽度并不需要改动，而=909 =5.8M Rs=1k，Rf=1.4M附：仿真后数据调整为：MN1MN2MN3MN4MN5MN6L(um)0.50.50.50.50.50.5M(um)19.64319.6436.41317.85781.63381.633

14、MP1MP2MP3MP4MP5MP6L(um)0.50.50.50.50.50.5M(um)22.44968.7568.7562.5285.714285.714RfRsIBAIBBVDDCL1.4M1k110uA110uA5V20pFRinRouIoKnKp9095.8M1400140403 第三章：电路仿真过程3.1 直流工作点确定为了能使电路中各管工作在饱和状态，我们首先要确定直流工作点，为此我们可以利用直流扫描，来获取相关各电压状态下的扫描值，并以列表形式显示，以便快速精准的找出直流工作点。相应的Pspice语句如下：.OP.DC Vin 2.45 2.55 0.00001*直流分析，找

15、出直流工作点（一般工作点应在2.5V左右，故采用0.05V区间搜索）.plot dc v(out) 获取的列表如下(由于表较长，在此只截取相关部分): volt v(out)从而获取直流工作点 为2.5092V3.2 直流分析3.2.1 直流工作状态分析在设定直流工作点后，如：再进行一次扫描，检查各管是否工作于饱和状态，检查结果如下：可见各管皆工作在饱和区，可以进行下一步的分析。3.2.2 静态电流分析由图可知 静态电流为1.8476mA<2mA,故满足题目要求。3.3 交流分析3.3.1 开环增益分析该图为Vout交流分析，由于Vin=1v ，Av=Vout/Vin，故闭环增益Av在数

16、值上等于Vout,由仿真数据（已在仿真程序中编写测量语句）中可读出闭环增益Av在数值上等于vmax= 1.4546E+03即Av=1.4546E+03>1000,即开环增益大于60dB欧姆，满足题目要求。3.3.2 增益带宽积的分析取增益下降到通频带内增益的0.707倍时，由仿真数据可知，f_-3db= 4.3127E+04由开环增益仿真可知 Av=1.4546E+03GBW =Af * f_-3db = 1.4546E+03 * 4.3127E+04 = 62.74MHz > 5MHz 满足题目要求。3.4 瞬态分析3.4.1 转换速率的分析此处在运算过程中，取上升时（2V到3V

17、的线性段）经历时间 = 1.6314E-09s可知 k=613v/us>50v/us,远远满足题目要求。4 第四章：设计结果分析4.1 指标分析参数比较闭环增益Av增益带宽积GBW静态电流转换速率设计指标要求>1000(60dB)>5MHz<2.0mA>50V/us计算结果102840.9MHz1.6mA70V/us仿真结果145562.74MHz1.8476mA613V/us从实验结果中可以看出，仿真结果和计算结果均已达标，然而实际仿真的值要比理论计算的值要大一些，这以一方面说明了理论设计和实际的误差关系，同时也提醒我们在理论计算的时候，一定要考虑到仿真与理论计

18、算的差值，并且留取足够的裕度，从仿真结果也可以看出电流型运算放大器所具备的高速性能。再次，分析仿真结果和计算结果不相一致的几个主要原因：1) 这些计算公式本身就是一个近似公式，所以在多次应用后存在运算累计误差，从而造成一定的计算偏离。2) 当处于不同的工作条件下，管子的部分基本参数会发生变化，从而使得计算应用的一些固定参数不一定适用。另外，我们也在设计调试过程中，发现宽长比对于系统性能的影响较大，在电流取定以后，增益就决定于N1、P1，N2，P2两对管子的宽长比，只要宽长比足够的大，则就可以达到相当大的增益，并且增益带宽积也会相应地增大，同时可以提高系统的稳定裕度。4.2 改进思考1) 在使用

19、电流反馈运算放大器时,外接负反馈电阻决定其工作的稳定性。反馈电阻取值越小,电路工作的信号带宽越宽,但工作越不稳定,越轻易自激，且增益会下降。因此,为了保证运放工作稳定,反馈电阻的取值存在一个最小值。为此我们多次进行仿真，发现RF取值在1.3M-1.4M，最为稳定，当然在此工作状态下，开环增益也较1.7M时有所下降，但是稳定性能大幅提高。2) 由于特定管子的宽长比对于系统性能的影响较大，在电流取定以后，增益就决定于N1、P1，N2，P2两对管子的宽长比，只要宽长比足够的大，则就可以达到相当大的增益，并且增益带宽积也会相应地增大，同时可以提高系统的稳定裕度，但是也不可过分增大宽长比。为此，我们也进

20、一步进行了仿真，发现在80左右，系统增益和相对稳定性最佳。5 设计总结和心得本次IC课程设计，我负责了所有的计算部分以及部分的方针辅助工作（主要是协助完成一些参数的方针，然后对部分参数进行适当的修改）。我从中获益匪浅。大二下我们已经深入的学习过模拟电子技术基础和微电子器件与IC设计基础这两门课程的理论知识了，但是对于实践方面的知识我们一无所知。感谢有这门课程，使我们学会将课堂上的纯理论知识变成生活中实用的部分。在这次课程设计中，我觉得很重要的一点就是在时间安排，计划分工，团结合作上。由于这个学期我报考了GRE，我们的课程设计开始的时间不是很早，以至于第一次的答疑的时候我们还没开始，浪费了一次宝

21、贵的机会，这里首先要感谢队友的理解和支持。考试一结束，我们就开始了课程设计。在一开始看题的时候其实很茫然，一点都不明白我们要做的是什么。后来通过跟大家交流，问上届的学长，我们初步知道了课设的目的和需要具备的知识。于是我们初步分工：查资料，研究电路，学习仿真软件。这些便是我们课设的基础。在这个过程中，印象很深的就是参数的设计与计算。刚开始时确实是无从下手，幸好我们有个很好的助教，给了我们非常多的极为有用的资料，所以他也是我要特别感谢的人。对照资料，我初步试着计算了一组数据，然后用我给他的数据进行了初步的仿真，发现静态电流偏大，于是我又对参数进行了适当的改进，调整了Rf和Rs的值，第二次仿真便满足

22、了要求。但是在计算输出电阻的理论值的时候，我一直算的并不是助教说的10M左右，后来问助教，才知道其实各种公式本身都带有误差，在多各项相乘后手工计算的结果就会偏差很大了，蝴蝶效应就是这样的吧。助教告诉我们，要是把每个MOS管的输出电阻用仿真的值代入计算所得的结果会准确不少。后来发现的确是这样的。除了这个问题，其它的我们进行得很顺利。最后发现仿真出来的指标和我手工计算的有一定的差别，不过这正体现了理论和实际的差别。虽然课设告一段落但是我总觉得我的课设还没有结束，因为其中还有很多未知的东西等着我去深究，还有viewlogic和Hspice两款强大的软件等着我去深入的了解他们的使用方法，和适用的范围。

23、这次课设通过不断的计算不断的修改参数来调整性能，不仅使我的理论知识得到了加强，还使我分析问题、思考问题和解决问题的能力得到了加强，而且提高了我理论联系实际的能力，培养了我认真、仔细的好习惯。最后，再次感谢我的队友6 致 谢感谢在此文写作过程中对我悉心指导的老师和学长。7 参考文献【1】 毕查德-拉扎维，模拟CMOS集成电路设计（Design of Analog CMOS Integrated Circuits），西安：西安交通大学出版社，2002。【2】 Willy M.C.Sansen著，模拟集成电路设计精粹，北京：清华大学出版社，2008.3。【3】 康华光，电子技术基础（模拟部分），北京

24、：高等教育出版社，2006。【4】 罗广孝，CMOS 模拟集成电路设计与仿真，保定：华北电力大学出版社，2007。【5】 刘刚 雷鑑铭 高俊雄 陈涛，微电子器件与IC设计基础，北京：科学出版社，2005【6】 谢长焱 何怡刚，低电压全摆幅恒跨导 CMOS 运算放大器的设计，吉首大学学报，2006，27（5）【7】 何红松, CMOS两级运算放大器设计与HSPICE仿真,湖南：湖南科技学院学报，2007.12，28（12）8 附录（网表清单）Design.sp(网表文件)A SIMPLE AMP.lib "D:myhspicec25u5vc25u5v.lib" TT.OPTI

25、ONS LIST NODE POSTVDD VDD 0 5v*电源电压VB VB 0 2.5v*偏置电压IB1 VDD 4 110uAIB2 5 GND 110uA*偏置电流Vin in 0 2.5092V AC 1 *PWL 0us 0V 0.5us 0V 0.50001us 5V 1us 5V 1.00001us 0V*输入信号，这里的'?'要根据DC分析来确定*PWL是进行转换速率仿真，不进行转换速率仿真时要屏蔽掉以防影响OP分析*设置宽长比Mp1 2 2 VDD VDD P_50_MM L=0.5U W=22.449U Mn1 3 3 GND GND N_50_MM L=0.5U W=6.997UMp2 3 5 1 1 P_50_MM L=0.5U W=68.75U Mp3 5 5 VB VB P_50_MM L=0.5U W=68.75U Mn2 2 4 1 1 N_50_MM L=0