IC設(shè)計(jì)-電流型運(yùn)算放大器

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 IC課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 電流型運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì) 編 號(hào)： （10） 成 績(jī) ： 摘 要本文主要介紹了利用MOS管及基本器件搭建電流型運(yùn)算放大器的整體設(shè)計(jì)流程，從原理分析到實(shí)際手工計(jì)算，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了詳盡的仿真分析，并對(duì)主要的性能指標(biāo)（直流工作點(diǎn)，增益帶寬積，開(kāi)環(huán)增益，靜態(tài)電流）進(jìn)行了系統(tǒng)化的分析和驗(yàn)證。文中詳細(xì)說(shuō)明了在設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到問(wèn)題的解決方案，計(jì)算過(guò)程，軟件使用及Hspice仿真代碼的解釋。關(guān)鍵詞：電流型 運(yùn)算放大器 直流工作點(diǎn) 增益帶寬積 開(kāi)環(huán)增益 靜態(tài)電流 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專心-專注-專業(yè)目 錄1 第一章：課題理解1.1 課題內(nèi)容與要求課題題目：電流型運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)電流型運(yùn)算放大器是一種對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大的電路，相對(duì)于電壓型運(yùn)算放大器，它具有更快的速度和更大的輸入噪聲。本題目的要求是設(shè)計(jì)一款電流型運(yùn)算放大器，在5V電源電壓條件下，其性能盡可能滿足如下指標(biāo)：1. 開(kāi)環(huán)增益大于60dB；2. 增益帶寬積大于5MHz；3. 轉(zhuǎn)換速率大于50V/us；4. 靜態(tài)電流小于2mA。1.2 課題分析1.3.1 背景調(diào)查 電壓運(yùn)算放大器受信號(hào)傳遞方式的限制，在工作速度和頻率方面不能滿足高速系統(tǒng)的需求。采用電流模技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的電流型運(yùn)算放大器在工作速度、

5、精度、帶寬和線性度方面均獲得很高性能。電壓運(yùn)算放大器輸出電壓與同相輸入端和反相輸入端電位差有關(guān)，動(dòng)態(tài)特性受增益帶寬積與轉(zhuǎn)換速率影響。電流型運(yùn)放以電流為輸入信號(hào)，電壓為輸出信號(hào)，強(qiáng)調(diào)電流模運(yùn)算，寄生節(jié)點(diǎn)電容影響小速率快。1.3.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)原理本次設(shè)計(jì)主要采用MOS管搭建基礎(chǔ)電路，故有必要在設(shè)計(jì)前，對(duì)單管的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行一定的計(jì)算分析，這樣既可以更加靈活的掌握MOS管的特性，又可以積極有效的應(yīng)用各項(xiàng)參數(shù)：1） 單管的主要參數(shù)：開(kāi)啟電壓VT:VT是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。當(dāng)DS為某以固定值使iD等于一個(gè)微小電流時(shí)，柵源間的電壓。（本次設(shè)計(jì)電路所用到的均為增強(qiáng)型MOS管）輸出電阻ro：ro= 【此公式第

6、二個(gè)等號(hào)之后僅適用于NMOS】夾斷電壓VP:VP是耗盡型MOS管的參數(shù)。當(dāng)DS為某以固定值使iD等于一個(gè)微小電流時(shí)，柵源間的電壓。（本次設(shè)計(jì)未用到耗盡型MOS管）低頻互導(dǎo)gm:gm=2Kn'(-)= 【=】2） Sah-薩支唐方程：對(duì)于NMOS飽和區(qū)： 【考慮了溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)】對(duì)于PMOS飽和區(qū)3) 輸出特性曲線： （1）增強(qiáng)型輸出特性曲線尤其應(yīng)該注意的是MOS管的工作范圍，我們要求的是讓MOS管工作在飽和區(qū)，即。我們需要的即是這個(gè)工作范圍。2 第二章：設(shè)計(jì)具體過(guò)程2.1 部結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)2.2 各元件參數(shù)設(shè)置2.3.1 確定電流由于轉(zhuǎn)換速率：題目要求SR>50V/us，設(shè)定，所以輸出

7、電流（OCA_A中最右邊的四個(gè)管子）Io>1000uA，設(shè)定為1400uA設(shè)定IBA、IBB為110uA，則電路圖右半部分已經(jīng)消耗1400uA又因?yàn)轭}目要求靜態(tài)電流IQ<2mA，所以IB不能超過(guò)因?yàn)樵?0左右，所以我們選擇IB=100uA到這里，所有管子的電流都確定了：左邊六個(gè)管子電流是IB=110uA，最右邊四個(gè)是IB*B=1400uA，剩余兩個(gè)是IBA=IBB=100uA2.3.2 過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的設(shè)置過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs-Vt設(shè)置如下： 2.3.3 MOS管長(zhǎng)度的確定 全部設(shè)定為0.5um2.3.4 MOS管寬度的確定則由公式：可算出所有管子的寬度（結(jié)果此處略，數(shù)據(jù)見(jiàn)后面的綜合）2.

8、3.5 輸入電阻Ri大小的確定輸入電阻Ri由以下四個(gè)管子確定：由于：所以：=2×120uA÷0.2V=1.2×10-3uT在這里，Ids一樣，Vgs-Vt均設(shè)置為0.2V，所以：=909輸入電阻為：=9092、輸出電阻Ro的確定首先將輸出的六個(gè)管子分為兩部分（N管組成的下半部分和P管組成的上半部分），考慮下半部分，并等效為小信號(hào)模型：可以列出方程：由以上公式可以得到：這個(gè)式子表示的是下半部分的輸出電阻，而OCA的輸出電阻由兩部分組成，所以開(kāi)環(huán)輸出電阻為：根據(jù)公式：分別算出：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由于厄利電壓：（與W相關(guān)度不大）NMOS: PMOS:LVEn LVEp0.5u5V 0.5u4.5V1u14V 1u10.5V5u60V 5u50V這樣輸出電阻就為：ro=VEp/IDS這里，由于選取的長(zhǎng)度為0.5um,則厄利電壓為：應(yīng)分別選?。?N管：5V ,P管：4.5V這樣計(jì)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則算得： = (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 反饋電阻Rf和源電

11、阻Rs的確定到這里，所有的管子的寬度、長(zhǎng)度以及所有的電流都確定了，只剩下外部電阻。由于假設(shè)：B*Rf>>RiB*Rs>>RiRo>>Rf>>RsB=11.7，則可以確定Ri、Ro的值。由于：B*Rf>>RiB*Rs>>RiRo>>Rf>>Rs得到：12Rf>>1k12Rs>>1k16M>>Rf>>Rs又因?yàn)椋侯}目要求增益大于60dB，也就是1000綜合以上因素，設(shè)置Rs=1k，Rf=1.2M附：初步計(jì)算的參數(shù)設(shè)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 手工計(jì)算指標(biāo)驗(yàn)證 21.11.21.31.41開(kāi)環(huán)增益大于60dB；低頻增益為，由Rf：Rs>=1000:1增益大于60dB2增益帶寬積大于5MHz； （待仿真結(jié)果

13、才能計(jì)算） 由于增益1028,所以增益帶寬積為40.9MHZ>5MHZ3轉(zhuǎn)換速率大于50V/us； =1400uA÷20pf=70V/us4靜態(tài)電流小于2mA。靜態(tài)電流IQ=2IB+IBA+IBB+Io=200uA+100uA+100uA+1200uA=1.6mA<2.0mA經(jīng)過(guò)仿真后微調(diào)了參數(shù)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)B理解錯(cuò)，管子的寬度并不需要改動(dòng)，而=909 =5.8M Rs=1k，Rf=1.4M附：仿真后數(shù)據(jù)調(diào)整為：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：電路仿真過(guò)程3.1 直流工作點(diǎn)確定為了能使電路中各管工作在飽和狀態(tài)，我們首先要確定直流工作點(diǎn)，為此我們可以利用直流掃描，來(lái)獲取相關(guān)各電壓狀態(tài)下的掃描值，并以列表形式顯示，以便快速精準(zhǔn)的找出直流工作點(diǎn)。相應(yīng)的Pspice語(yǔ)句如下：.OP.DC Vin 2.45 2.55 0.00001*直流分析，找

15、出直流工作點(diǎn)（一般工作點(diǎn)應(yīng)在2.5V左右，故采用0.05V區(qū)間搜索）.plot dc v(out) 獲取的列表如下(由于表較長(zhǎng)，在此只截取相關(guān)部分): volt v(out)從而獲取直流工作點(diǎn) 為2.5092V3.2 直流分析3.2.1 直流工作狀態(tài)分析在設(shè)定直流工作點(diǎn)后，如：再進(jìn)行一次掃描，檢查各管是否工作于飽和狀態(tài)，檢查結(jié)果如下：可見(jiàn)各管皆工作在飽和區(qū)，可以進(jìn)行下一步的分析。3.2.2 靜態(tài)電流分析由圖可知 靜態(tài)電流為1.8476mA<2mA,故滿足題目要求。3.3 交流分析3.3.1 開(kāi)環(huán)增益分析該圖為Vout交流分析，由于Vin=1v ，Av=Vout/Vin，故閉環(huán)增益Av在數(shù)

16、值上等于Vout,由仿真數(shù)據(jù)（已在仿真程序中編寫測(cè)量語(yǔ)句）中可讀出閉環(huán)增益Av在數(shù)值上等于vmax= 1.4546E+03即Av=1.4546E+03>1000,即開(kāi)環(huán)增益大于60dB歐姆，滿足題目要求。3.3.2 增益帶寬積的分析取增益下降到通頻帶內(nèi)增益的0.707倍時(shí)，由仿真數(shù)據(jù)可知，f_-3db= 4.3127E+04由開(kāi)環(huán)增益仿真可知 Av=1.4546E+03GBW =Af * f_-3db = 1.4546E+03 * 4.3127E+04 = 62.74MHz > 5MHz 滿足題目要求。3.4 瞬態(tài)分析3.4.1 轉(zhuǎn)換速率的分析此處在運(yùn)算過(guò)程中，取上升時(shí)（2V到3V

17、的線性段）經(jīng)歷時(shí)間 = 1.6314E-09s可知 k=613v/us>50v/us,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足題目要求。4 第四章：設(shè)計(jì)結(jié)果分析4.1 指標(biāo)分析參數(shù)比較閉環(huán)增益Av增益帶寬積GBW靜態(tài)電流轉(zhuǎn)換速率設(shè)計(jì)指標(biāo)要求>1000(60dB)>5MHz<2.0mA>50V/us計(jì)算結(jié)果102840.9MHz1.6mA70V/us仿真結(jié)果145562.74MHz1.8476mA613V/us從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均已達(dá)標(biāo)，然而實(shí)際仿真的值要比理論計(jì)算的值要大一些，這以一方面說(shuō)明了理論設(shè)計(jì)和實(shí)際的誤差關(guān)系，同時(shí)也提醒我們?cè)诶碚撚?jì)算的時(shí)候，一定要考慮到仿真與理論計(jì)

18、算的差值，并且留取足夠的裕度，從仿真結(jié)果也可以看出電流型運(yùn)算放大器所具備的高速性能。再次，分析仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果不相一致的幾個(gè)主要原因：1) 這些計(jì)算公式本身就是一個(gè)近似公式，所以在多次應(yīng)用后存在運(yùn)算累計(jì)誤差，從而造成一定的計(jì)算偏離。2) 當(dāng)處于不同的工作條件下，管子的部分基本參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而使得計(jì)算應(yīng)用的一些固定參數(shù)不一定適用。另外，我們也在設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)寬長(zhǎng)比對(duì)于系統(tǒng)性能的影響較大，在電流取定以后，增益就決定于N1、P1，N2，P2兩對(duì)管子的寬長(zhǎng)比，只要寬長(zhǎng)比足夠的大，則就可以達(dá)到相當(dāng)大的增益，并且增益帶寬積也會(huì)相應(yīng)地增大，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。4.2 改進(jìn)思考1) 在使用

19、電流反饋運(yùn)算放大器時(shí),外接負(fù)反饋電阻決定其工作的穩(wěn)定性。反饋電阻取值越小,電路工作的信號(hào)帶寬越寬,但工作越不穩(wěn)定,越輕易自激，且增益會(huì)下降。因此,為了保證運(yùn)放工作穩(wěn)定,反饋電阻的取值存在一個(gè)最小值。為此我們多次進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)RF取值在1.3M-1.4M，最為穩(wěn)定，當(dāng)然在此工作狀態(tài)下，開(kāi)環(huán)增益也較1.7M時(shí)有所下降，但是穩(wěn)定性能大幅提高。2) 由于特定管子的寬長(zhǎng)比對(duì)于系統(tǒng)性能的影響較大，在電流取定以后，增益就決定于N1、P1，N2，P2兩對(duì)管子的寬長(zhǎng)比，只要寬長(zhǎng)比足夠的大，則就可以達(dá)到相當(dāng)大的增益，并且增益帶寬積也會(huì)相應(yīng)地增大，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，但是也不可過(guò)分增大寬長(zhǎng)比。為此，我們也進(jìn)

20、一步進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)在80左右，系統(tǒng)增益和相對(duì)穩(wěn)定性最佳。5 設(shè)計(jì)總結(jié)和心得本次IC課程設(shè)計(jì)，我負(fù)責(zé)了所有的計(jì)算部分以及部分的方針輔助工作（主要是協(xié)助完成一些參數(shù)的方針，然后對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模?。我從中獲益匪淺。大二下我們已經(jīng)深入的學(xué)習(xí)過(guò)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和微電子器件與IC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這兩門課程的理論知識(shí)了，但是對(duì)于實(shí)踐方面的知識(shí)我們一無(wú)所知。感謝有這門課程，使我們學(xué)會(huì)將課堂上的純理論知識(shí)變成生活中實(shí)用的部分。在這次課程設(shè)計(jì)中，我覺(jué)得很重要的一點(diǎn)就是在時(shí)間安排，計(jì)劃分工，團(tuán)結(jié)合作上。由于這個(gè)學(xué)期我報(bào)考了GRE，我們的課程設(shè)計(jì)開(kāi)始的時(shí)間不是很早，以至于第一次的答疑的時(shí)候我們還沒(méi)開(kāi)始，浪費(fèi)了一次寶

21、貴的機(jī)會(huì)，這里首先要感謝隊(duì)友的理解和支持?？荚囈唤Y(jié)束，我們就開(kāi)始了課程設(shè)計(jì)。在一開(kāi)始看題的時(shí)候其實(shí)很茫然，一點(diǎn)都不明白我們要做的是什么。后來(lái)通過(guò)跟大家交流，問(wèn)上屆的學(xué)長(zhǎng)，我們初步知道了課設(shè)的目的和需要具備的知識(shí)。于是我們初步分工：查資料，研究電路，學(xué)習(xí)仿真軟件。這些便是我們課設(shè)的基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中，印象很深的就是參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。剛開(kāi)始時(shí)確實(shí)是無(wú)從下手，幸好我們有個(gè)很好的助教，給了我們非常多的極為有用的資料，所以他也是我要特別感謝的人。對(duì)照資料，我初步試著計(jì)算了一組數(shù)據(jù)，然后用我給他的數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的仿真，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)電流偏大，于是我又對(duì)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，調(diào)整了Rf和Rs的值，第二次仿真便滿足

22、了要求。但是在計(jì)算輸出電阻的理論值的時(shí)候，我一直算的并不是助教說(shuō)的10M左右，后來(lái)問(wèn)助教，才知道其實(shí)各種公式本身都帶有誤差，在多各項(xiàng)相乘后手工計(jì)算的結(jié)果就會(huì)偏差很大了，蝴蝶效應(yīng)就是這樣的吧。助教告訴我們，要是把每個(gè)MOS管的輸出電阻用仿真的值代入計(jì)算所得的結(jié)果會(huì)準(zhǔn)確不少。后來(lái)發(fā)現(xiàn)的確是這樣的。除了這個(gè)問(wèn)題，其它的我們進(jìn)行得很順利。最后發(fā)現(xiàn)仿真出來(lái)的指標(biāo)和我手工計(jì)算的有一定的差別，不過(guò)這正體現(xiàn)了理論和實(shí)際的差別。雖然課設(shè)告一段落但是我總覺(jué)得我的課設(shè)還沒(méi)有結(jié)束，因?yàn)槠渲羞€有很多未知的東西等著我去深究，還有viewlogic和Hspice兩款強(qiáng)大的軟件等著我去深入的了解他們的使用方法，和適用的范圍。

23、這次課設(shè)通過(guò)不斷的計(jì)算不斷的修改參數(shù)來(lái)調(diào)整性能，不僅使我的理論知識(shí)得到了加強(qiáng)，還使我分析問(wèn)題、思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得到了加強(qiáng)，而且提高了我理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)了我認(rèn)真、仔細(xì)的好習(xí)慣。最后，再次感謝我的隊(duì)友6 致 謝感謝在此文寫作過(guò)程中對(duì)我悉心指導(dǎo)的老師和學(xué)長(zhǎng)。7 參考文獻(xiàn)【1】 畢查德-拉扎維，模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)（Design of Analog CMOS Integrated Circuits），西安：西安交通大學(xué)出版社，2002?！?】 Willy M.C.Sansen著，模擬集成電路設(shè)計(jì)精粹，北京：清華大學(xué)出版社，2008.3?！?】 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分），北京

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25、ONS LIST NODE POSTVDD VDD 0 5v*電源電壓VB VB 0 2.5v*偏置電壓IB1 VDD 4 110uAIB2 5 GND 110uA*偏置電流Vin in 0 2.5092V AC 1 *PWL 0us 0V 0.5us 0V 0.50001us 5V 1us 5V 1.00001us 0V*輸入信號(hào)，這里的'?'要根據(jù)DC分析來(lái)確定*PWL是進(jìn)行轉(zhuǎn)換速率仿真，不進(jìn)行轉(zhuǎn)換速率仿真時(shí)要屏蔽掉以防影響OP分析*設(shè)置寬長(zhǎng)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