集成电路CAD放大器的设计.docx
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集成电路CAD放大器的设计
集成电路CAD-放大器的设计
扬州大学广陵学院
课
程
设
计
报
告
设计题目：
基于Spectre运算放大器的设计
姓名：
zty
学号：
100036137
班级：
微电81001
时间：
2014年1月3日
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……….………………………....…4
2运算放大器的带宽仿真……………………….…..……..…7
3运算放大器的建立时间仿真……………………….………….8
4运算放大器的相位裕度仿真…………………………..………9
5运算放大器的转换速率仿真……………………………..….10
6运算放大器的共模抑制比仿真………………………………..12
7运算放大器的电源电压抑制比仿真……………………….....14
（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=∞；带宽=∞；
（7）干扰或噪声均为0。
②、理想运算放大器的虚短和虚断
（1）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的相互转换，是各种集成电路的一个基本单元。
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。
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
①、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：
Instancename
Model
W/m
L/m
Multiplier
Libraryname
Cellname
ViewName
M1
nmos1
800n
500n
1
gpdk180
nmos
symbol
M2
nmos1
800n
500n
1
gpdk180
nmos
symbol
M3
pmos1
1.1u
550n
1
gpdk180
pmos
symbol
M4
pmos1
1.1u
550n
1
gpdk180
pmos
symbol
M5
nmos1
800n
500n
1
gpdk180
nmos
symbol
M6
nmos1
800n
500n
1
gpdk180
nmos
symbol
另：
电路图中所使用的电压源为5V。
②、读取并分析仿真结果
图5增益的幅频特性
图6增益幅值的dB20曲线
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
①、3dB带宽
图8增益的幅频特性曲线
②、单位增益带宽
图93dB带宽
从图4.2.1.3可以看出该运算放大器的3dB带宽为8.256MHz
3、运算放大器的建立时间仿真
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“SelectMode”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”中。
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
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18CMRR仿真电路图
图19CMRR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/X”函数，对仿真结果取倒数。
如图4.6.3：
图20CMRR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21PSRR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：
图22PSRR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23
图23PSRR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Assura→Technology，点击Assura→RunDrc，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24DRC检验
2.进行LVS检验，VLE窗口点击Assura→RunLvs，在对话框中，选择techflielibrary：
gpdk180和规则文件LVS文件，如图25所示：
图25电路原理图
图25LVS检验
3.设计的后仿真，打开测试电路，启动ADE仿真窗口，然后Session→LoadState，选择电子保存的“savestate”，点击OK。
选择Setup→Environment，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。
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。
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