CMOS运算放大器的分析及设计毕业设计论文可编辑.docx

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CMOS运算放大器的分析及设计毕业设计论文可编辑

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

Abstract

WiththedevelopmentofCMOStechnique,CMOSintegratedcircuitshavebecomethemainstreamofintegratedcircuitstechniques,duetoitslowcost,lowpowerconsumptionandcontinuouslyimprovedspeed.AstheCMOSprocesshasgoodperformancemerits,thereforetheoperationalamplifiercombinedwithCMOStechniquehasbeenwidelyusedbecauseofitsuniqueperformance.

Asthemostimportantfunctionalmoduleinanalogintegratedcircuits,thedesignofCMOSoperationalamplifierincludesseveralstepsasfollows:

determinationdesignrequirements,designorsynthesis,simulation,designgeometriclayout,post-layoutsimulation,tape-outandtest.Theformalstepsofthedesignofthetwo-stageCMOSoperationalamplifierswasprovidedinthispaper,andthebasiccircuitstructuresofthetwo-stageCMOSoperationalamplifierwasintroduced.Basedondeterminingtheop-ampdesignspecifications,therelationshipbetweenperformanceparametersandtransistorgeometryparameterswasanalyzedandtheratioofthetransistorswidthtolengthwascalculated.Asakindofsimulationtool,thestructuralcharacteristicsandworkperformanceofOrCADwasdescribedindetail.ThefeasibilityofthedesignwasdeterminedbyusingPSpicesimulation.Analysisofbiaspoint,transientandthefrequencycharacteristicsofthecircuithavebeencompletedinthispaper,andthesimulationresultsshowedthatthedesignedcircuitmeetsthedesignrequirementsandtargets,alsodesignthereliabilityandfeasibilityofthetwo-stageCMOSoperationalamplifierhasbeencomfired.

Keywords:

CMOS;Operationalamplifier;Pspicesimulation;Smallsignalamplification;Frequencyresponse

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年月日

导师签名:

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年月日

摘要I

AbstractII

1.绪论1

1.1运算放大器1

1.1.1运算放大器概述1

1.1.2运算放大器发展历史1

1.1.3运算放大器原理与类型2

1.2CMOS集成工艺4

1.3论文选题的意义4

2.两级CMOS运算放大器的设计6

2.1两级CMOS运算放大器的组成模块选择原则6

2.1.1第一级放大模块7

2.1.2第二级放大模块级输出模块8

2.1.3偏置及补偿模块10

2.2两级CMOS运放电路10

2.2.1两级CMOS运放的电路结构11

2.2.2两级CMOS运放的工作原理12

2.3两级CMOS运放的参数计算12

2.3.1设计标准及参数13

2.3.2工艺参数的计算13

2.4小结19

3.两级CMOS运算放大器的电路仿真20

3.1仿真环境OrCAD20

3.2直流工作点分析23

3.3瞬态特性分析28

3.4频率特性分析32

3.5小结34

4电路的优化设计35

4.1频带宽度优化35

4.2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（vacuumtube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integratedcircuits）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,仙童半导体推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器,型号为μA709。

但是709很快地被随后而来的新产品μA741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1-1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μA741（单运放）、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rid>1GΩ~1TΩ。

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、μA715等其,SR50-70V/us,BWG>20MHz。

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±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。

目前有的产品功耗已达μW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±150V,μA791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。

1.2CMOS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CMOSIC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

VinVout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:

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Vgs1Vds1Vgs2,两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,βN1为NMOS管V1的导电因子,且式2.3式2.4式2.5

（1）若rds4‖rds2RL,则式2.6

（2）若rds4‖rds2RL,则式2.7

由式2.7可见,沟道调制效应如果显著的话,则直接影响到Aud使其减小,所以我们必须减弱沟道效应,增强管子的输出电阻。

在沟道调制效应可以忽略的条件下,差动放大器的增益取决于管子的静态工作电流和管子宽长比（见式2.18）。

静态工作电流一般由功耗决定,那么可以控制管子的尺寸（W/L）来达到满足增益的目的。

2.1.2第二级放大模块及输出模块选择

第二级放大器采用共源放大器,它是主要的电压增益级（100~1000）,且它的输出阻抗低,是CMOS运放的主要放大单元。

共源放大器电路如图2.4所示:

图2.4共源放大器的电路图

图中的P沟道MOS管M2是N沟道MOS管的M1的有源负载。

有源负载M2与偏置电路构成电流源电路时,M2通常作为有源负载。

当输入电压Vin低于M1管的阈值电压时,M1管截止,M2管导通,由于信号没有从M1管的栅极流入,所以没有电流输出,输出电压等于电源电压。

当输入电压Vin大于M1管的阈值电压时,M1管开始导通,随着Vin的逐渐增大,输出电压开始下降,当通过M1、M2管的电流增大到一定程度时,M1、M2管均工作在饱和区,随着Vin的逐渐增大,输出电压迅速下降,直到输入电压Vin增大到Vout+Vth1时,M1管进入线性区。

M1、M2工作在饱和区时的电压增益等于M1管的跨导和M1、M2管输出阻抗并联的乘积。

即

式中式2.8

将、表达式带入中,得到式2.9

从式子中可以发现,当电流减小时,电压增益增大。

本设计中共源放大器也作为两级CMOS运算放大器的输出级,为互补推挽型电路,以提高放大器输出端的负载能力,它常加有保护电路。

2.1.3偏置及补偿模块选择

在MOS模拟集成电路中,偏置电路是不可缺少的重要组成部分。

偏置电路的主要作用是为多级放大器的各级设置合适的工作点,有时还作为放大器的有源负载。

与恒流源密切相关。

本设计中选择的CMOS偏置电路如图2.5所示。

图2.5CMOS偏置电路图

图中的M3是偏置电路的负载,M1、M2共同构成了偏置电路,从而提供M2管漏极上的电流。

最终提供给差分放大器,以便其正常工作。

补偿电路主要为了让运算放大器工作稳定,同时消除第二个极点对低频放大倍数、单位增益带宽等的影响,也就是防止电路产生自激。

2.2两级CMOS运放的设计电路

2.2.1两级CMOS运放的电路结构

基于两级CMOS运放的基本组成框图及各个模块的上述选取原则,完成的两级CMOS运算放大器的设计电路图如图2.6所示。

图2.6两级CMOS运算放大器电路

图2.6中,完全匹配的N沟道MOS场效应管M1和M2作为差分对管,P沟道MOS场效应管M3、M4组成镜像电流源作为差动对管的有源负载,P沟道MOS场效应管M5、N沟道MOS场效应管M6组成共源放大器为信号提供二级放大,同时,他们也作为两级CMOS运算放大器的输出电路。

N沟道MOS场效应管M8、M9为电路的正常工作提供偏置电流。

M6、M7与偏置电路组成电流源电路,提供查分放大器的工作电流及作为M5共源放大器的有源负载。

电容C1接在共源放大器的输入输出级之间,实现运算放大器的频率补偿。

为了提高增益,避免集成电路制造大电阻,往往采用有源负载。

由于NMOS管的性能优于PMOS管（主要由于PMOS中的空穴迁移率是NMOS中电子迁移率的1/2~1/4）,所以放大管都用NMOS管,负载管可用增强型NMOS管、耗尽型NMOS管和PMOS管,设计中的放大管采用NMOS管,负载管采用用增强型PMOS管。

2.2.2两级CMOS运放的