IC設(shè)計(jì)-電流型運(yùn)算放大器

IC課程設(shè)計(jì)報(bào)告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：（10）班級：學(xué)號：姓名：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，同時對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了詳盡的仿真分析，并對主要的性能指標(biāo)（直流工作點(diǎn)，增益帶寬積，開環(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)說明了在設(shè)計(jì)過程中所遇到問題的解決方案，計(jì)算過程，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)增益帶寬積開環(huán)增益靜態(tài)電流Hspice

AbstractThispapermainlyintroducedtheuseofMOSpipeandbasicdevicesetupcurrentmodelofoperationalamplifieroveralldesignprocess,fromtheoryanalysistotheactualmanualcalculation,andthecircuitdesignforadetailedsimulationanalysis,andthemainperformanceindex(DCOperatingPoint,GBW，open-loopgain,staticcurrent)thesystematicanalysisandverification.Thispaperdetailsinthedesignprocessofthesolutionoftheproblem,thecalculationprocess,thesoftwareuseandHspicesimulationcodeexplanation.Keywords:currentmodeloperationalamplifierDCOperatingPointGBWopen-loopgainstaticcurrentHspcieIC課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IIAbstract III1 課題背景及分析 11.1 課題內(nèi)容與要求 11.1.1 課題內(nèi)容 11.1.2 課程設(shè)計(jì)的統(tǒng)一要求 21.2 設(shè)計(jì)背景 21.2.1 背景調(diào)查 21.2.2基礎(chǔ)原理 31.2.2 輸出特性曲線： 41.3 合作與分工 42 設(shè)計(jì)過程 52.1 電路設(shè)計(jì) 52.1.1 結(jié)構(gòu)模型 52.1.1 整體規(guī)劃 62.2 電路設(shè)計(jì) 82.2.1 電路圖如下圖所示 82.2.2元件參數(shù)設(shè)置 82.2.3輸入電阻的確定 112.2.4 輸出電阻Ro的確定 122.2.5 反饋電阻Rf和源電阻Rs的確定 142.2.6參數(shù)列表 152.3結(jié)果指標(biāo)計(jì)算與驗(yàn)證 152.3.1 開環(huán)增益大于65dB歐姆 162.3.2 帶寬大于5MHz 162.3.2 轉(zhuǎn)換速率大于60V/us 162.3.3 靜態(tài)電流小于1.5mA 162.4參數(shù)調(diào)整 173 仿真過程 183.1 原始數(shù)據(jù)初次仿真結(jié)果 183.2 參數(shù)調(diào)整及計(jì)算 194 設(shè)計(jì)結(jié)果討論與分析 224.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)、計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果對比 225 實(shí)驗(yàn)心得與體會 246 參考文獻(xiàn) 26課題背景及分析課題內(nèi)容與要求課題內(nèi)容題目10：電流型運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)電流型運(yùn)算放大器是一種對電流信號進(jìn)行放大的電路，相對于電壓型運(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.開環(huán)增益大于65dB歐姆；2.帶寬大于5MHz；3.轉(zhuǎn)換速率大于60V/us；4.靜態(tài)電流小于1.5mA。設(shè)計(jì)要求如下：1.設(shè)計(jì)合適的電路架構(gòu)，完成器件尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算；2.計(jì)算輸出電阻電容值；3.通過Hspice仿真軟件對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證；4.如果有部分參數(shù)指標(biāo)不能達(dá)到要求，請說明原因，并提出、驗(yàn)證更優(yōu)方案。課程設(shè)計(jì)的統(tǒng)一要求2.1課程設(shè)計(jì)報(bào)告的模板為《華中科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文模板》。必須包括：中文摘要、關(guān)鍵詞、Abstract、KeyWords、目錄、正文、致謝、參考文獻(xiàn)?？梢詫⒉糠执a或者網(wǎng)表放在論文的附錄中。2.2正文一般要求：題目的理解和介紹，理論推導(dǎo)和計(jì)算，仿真和研制結(jié)果，結(jié)論。另外加上一章《心得體會》，給出課程設(shè)計(jì)中的酸甜苦辣和心得體會，以及個人在該項(xiàng)目組中承擔(dān)的工作、工作量百分比。2.3對于數(shù)字IC的題目，正文應(yīng)包括：題目要求及理解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（得到系統(tǒng)框圖和各模塊的設(shè)計(jì)規(guī)格）、模塊設(shè)計(jì)（要求、過程、仿真、仿真結(jié)果分析）、整體電路仿真和綜合、源代碼和注釋、結(jié)論及討論、心得體會。2.4對于模擬IC的題目，正文應(yīng)包括：題目要求及理解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)（電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)的手工推導(dǎo)、電路指標(biāo)的手工驗(yàn)證）、電路仿真（含模塊仿真和系統(tǒng)仿真，包括仿真電路圖、帶注釋的仿真網(wǎng)表、仿真波形及分析）、結(jié)論及討論、心得體會。2.5強(qiáng)烈要求有組內(nèi)分工，并從課程設(shè)計(jì)報(bào)告中得到體現(xiàn)。個人完成的工作詳寫，組內(nèi)其他人完成的工作略寫。完全相同或稍有區(qū)別的論文分?jǐn)?shù)不會很高。設(shè)計(jì)背景背景調(diào)查電流型運(yùn)算放大器具有負(fù)輸入端低阻、驅(qū)動能力強(qiáng)、電壓擺率高、工作帶寬寬等特點(diǎn)，主要用于視頻信號處理、HDTV系統(tǒng)，以及驅(qū)動A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，具有驅(qū)動能力強(qiáng)、工作頻率高、工作頻帶寬等特點(diǎn)。電流型運(yùn)算放大器是一種較新的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，運(yùn)算放大器在電壓型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展出差分結(jié)構(gòu)和電流型結(jié)構(gòu)。由于電壓運(yùn)算放大器受信號傳遞方式的限制，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、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，電壓為輸出信號，強(qiáng)調(diào)電流模運(yùn)算，寄生節(jié)點(diǎn)電容影響小速率快。1.2.2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)：2.1單管的主要參數(shù)：①開啟電壓VT:VT是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。當(dāng)υDS為某以固定值使iD等于一個微小電流時，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）②輸出電阻ro：ro==【此公式第二個等號之后僅適用NMOS】③夾斷電壓VP:VP是耗盡型MOS管的參數(shù)。當(dāng)υDS為某以固定值使iD等于一個微小電流時，柵源間的電壓。（本次設(shè)計(jì)未用到耗盡型MOS管）④低頻互導(dǎo)gm:gm==2Kn'(-)=【=】2.2Sah--薩支唐方程：①對于NMOS飽和區(qū)：【考慮了溝長調(diào)制效應(yīng)】②對于PMOS飽和區(qū)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工作范圍。合作與分工電路設(shè)計(jì)與計(jì)算過程：XXX電路仿真過程：XXX參數(shù)調(diào)整與確定：XXX設(shè)計(jì)過程電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型1.理想結(jié)構(gòu)模型理想電流型運(yùn)放結(jié)構(gòu)模型2輸入輸出級相關(guān)知識輸出級設(shè)計(jì)電路：輸出結(jié)構(gòu)一般情況下，輸出采用共漏輸出級，如上圖所示。輸入結(jié)構(gòu)這是一個互補(bǔ)的輸入結(jié)構(gòu)，它由一個PMOS管和一個CMOS管組成，這樣互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)有利于提高整個電路的性能整體規(guī)劃1閉環(huán)增益假設(shè)：B設(shè)定在10左右B*Rf>>Ri B*Rs>>RiRo>>Rf>>Rs上圖為閉環(huán)模型的等效電路，我們可以得出：由此可以得出：上式化簡為：則可以求出低頻增益為：2輸出阻抗將輸入接地（輸入為電壓源，電壓源短路），因此可以近似列出下式：得到：這樣閉環(huán)的帶寬就是：電路設(shè)計(jì)電路圖如下圖所示2.2.2元件參數(shù)設(shè)置1確定電流由于轉(zhuǎn)換速率：本次實(shí)驗(yàn)要求的是SR>65V/us，設(shè)CL=10pF，所以輸出電流（即最右邊的四個管子）Io>650uA，設(shè)定為800uA設(shè)定IBA、IBB為100uA，則電路圖右半部分已經(jīng)消耗1000uA題目要求靜態(tài)電流IQ<1.5mA，IB<1500-10002因?yàn)榧僭O(shè)B=800IB在10左右，所以我們選擇IB=100uA所有管子的電流都確定了：左邊六個管子電流是IB=100uA，中間兩個是IBA=IBB=100uA，最右邊四個是IB*B=800uA2確定寬長比（1）過驅(qū)動電壓的設(shè)置過驅(qū)動電壓Vgs-Vt設(shè)置如下：（2）MOS管長的確定這里為了簡單起見，我們選擇長度都為1um。（3）MOS管子寬度的確定則由公式：上面考慮了溝道調(diào)制效應(yīng)，由于在計(jì)算中值非常小，在這里忽略溝道調(diào)制效應(yīng)，則可得出：可算出所有管子的寬度（結(jié)果此處略，數(shù)據(jù)見后面）一些有用數(shù)據(jù)：模型：N_50_MM（NMOS）閾值電壓Vth0=0.588V；(會隨著寬長比變化而變化，而且變化可能比較大，精確值要看.lis文件中的region部分)遷移率u0=447cm*cm/v/s；Cj=7.95e-4F/m*m；Cjsw=2.27e-10F/m；測出Kn大約為：（與W關(guān)系不是很顯著，W每變化十倍，Kn變化基本在2以內(nèi)）L Kn(uA/V*V)0.5 1401 1205 100測出厄利電壓：（與W相關(guān)度不大）L VEn0.5u 5V1u 14V5u 60V這樣輸出電阻就為：ro=VEn/IDS由于刪氧化層厚度為tox=12.5nm，氧化層的介電常數(shù)可以查到（自己查）可以估算出：（與拉扎維書上的有點(diǎn)不一樣，這里是近似計(jì)算）；模型：P_50_MM（PMOS）閾值電壓Vth0=0.662V；(會隨著寬長比變化而變化，而且變化可能比較大，精確值要看.lis文件中的region部分)遷移率u0=149cm*cm/v/s；Cj=1.01e-3FCjsw=2.11e-10F/m；測出Kp大約為：（與W關(guān)系不是很顯著，W每變化十倍，Kp變化基本在2以內(nèi)）L Kp(uA/V*V)0.5 401 365 34測出厄利電壓：(與W關(guān)系不大)L VEp0.5u 4.5V1u 10.5V5u 50V這樣輸出電阻就為：ro=VEp/IDS由于刪氧化層厚度為tox=12.5nm，可以估算出：；2.2.3輸入電阻的確定輸入電阻Ri由以下四個管子確定：由于：所以：=2×100uA÷0.2V=1×10-3T在這里，Ids都等于100uA，Vgs-Vt均設(shè)置為0.2V，所以：=1kΩ輸入電阻為：=1kΩ輸出電阻Ro的確定首先將輸出的六個管子分為兩部分（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，并等效為小信號模型：可以列出方程：由以上公式可以得到：這個式子表示的是下半部分的輸出電阻，而整個部分的輸出電阻由兩部分組成，所以開環(huán)輸出電阻為：根據(jù)公式可求出：gmn1=2×100uA÷0.2V=1×10-3Tgmn2=2×800uA÷0.4V=4×10-3Tgmp1=2×100uA÷0.2V=1×10-3Tgmp2=2×800uA÷0.4V=4×10-3T由于厄利電壓：（與W相關(guān)度不大）NMOS:L VEn0.5u 5V1u 14V5u 60VPMOS:L VEp0.5u 4.5V1u 10.5V5u 50V這里，由于選取的長度為1um,則厄利電壓為：應(yīng)分別選取N管：14V,P管：10.5V輸出電阻就為：ro=VEp/IDSRomn4=VEn/IDS=14V/100uA=140KRomn5=VEn/IDS=14V/800uA=17.5KRomn6=VEn/IDS=14V/800uA=17.5KRomp4=VEp/IDS=10.5V/100uA=105KRomp5=VEp/IDS=10.5V/800uA=13.125KRomp6=VEp/IDS=10.5V/00uA=13.125K則算得：=(1×10-3T×140K×4×10-3×17.5K×17.5K)//(1×10-3T×105K×4×10-3×13.125K×13.125K)=50.9MΩ反饋電阻Rf和源電阻Rs的確定由于假設(shè)：B*Rf>>Ri B*Rs>>RiRo>>Rf>>RsB=8，則可以確定Ri、Ro的值。由于：8Rf>>1k 8Rs>>1k50.9M>>Rf>>Rs又因?yàn)椋赫n設(shè)題目要求增益大于65dB，也就是1778我們設(shè)置Rs=1k，Rf=2.5M2.2.6參數(shù)列表到此，所有電路中所需的參數(shù)和數(shù)據(jù)都已經(jīng)計(jì)算出來了，初步計(jì)算的參數(shù)設(shè)置表如下MOUS管參數(shù)設(shè)定:MN1MN2MN3MN4MN5MN6L(um)111111W(um)10.441.741.741.783.383.3MP1MP2MP3MP4MP5MP6L(um) 111111W(um)34.7138.8138.8138.8277.8277.8Kn=120Kp=36其他參數(shù)設(shè)定：Rf=2.5kRs=1kIB=100uAIBA=IBB=100uAVDD=5VCL=10pFRin=1kRout=50.9MIo=800uA2.3結(jié)果指標(biāo)計(jì)算與驗(yàn)證開環(huán)增益大于65dB歐姆低頻增益為由RfRs符合要求帶寬大于5MHzRout=BW增益等于5000,所以增益帶寬積為45.83MHZ>5MHZ符合要求轉(zhuǎn)換速率大于60V/us=800uA÷10pf=80V/us符合要求靜態(tài)電流小于1.5mA靜態(tài)電流IQ=2IB+IBA+IBB+Io=200uA+100uA+100uA+800uA=1.2mA<1.5mA符合要求2.4參數(shù)調(diào)整經(jīng)過仿真后發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)不滿足要求，所以調(diào)整了部分參數(shù)，經(jīng)過多次調(diào)整發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)mp1和mp6對管子的影響很大很大，些微改變就對放大倍速有很大的影響，我們希望盡可能少地調(diào)整參數(shù)，因此只調(diào)整了MP6的寬長比，將寬度調(diào)整為130，然后發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果好了很多。其實(shí)中間也調(diào)整了Rf，只是Rf從始至終用的是調(diào)整后的值，所以并不是仿真后調(diào)的參數(shù)。仿真后MOUS管參數(shù)調(diào)整為：MN1MN2MN3MN4MN5MN6L(um)111111W(um)10.441.741.741.783.383.3MP1MP2MP3MP4MP5MP6L(um) 111111W(um)34.7138.8138.8138.8277.8130.0其他電阻電流等參數(shù)未作改動仿真過程原始數(shù)據(jù)初次仿真結(jié)果同組成員根據(jù)我計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下圖所示由上圖可以看到，最大放大倍速僅為120，轉(zhuǎn)換成增益為下圖所示的增益為40db，未能達(dá)到要求，在此情況下有帶寬為：GBW=93k*120=1.116MHz＜5MHz，不合適如上圖求轉(zhuǎn)換數(shù)率，有轉(zhuǎn)換速率SR=4.98v/0.04e-6s=124.5v/us＞60v/us，滿足條件所需。參數(shù)調(diào)整及計(jì)算開始調(diào)試，改變mp6管子寬度變?yōu)?30，有放大倍速顯著增大，如下：放大倍速接近1800，即為所需要的65db，但仍然有一點(diǎn)缺口。此時增大RF電阻值為5MEG，仿真得到如下圖形：此時有增益為Av=3500,轉(zhuǎn)化為分貝為70.8db＞65db，滿足要求，帶寬積GBW=3500*11.5k=40.25MHz＞5MHz，滿足要求。對于轉(zhuǎn)換速率，如下圖，有SR=4.98V/0.04us=124.5v/us.滿足設(shè)計(jì)要求。截取mosfet部分仿真結(jié)果如下：****mosfetssubcktelement0:mp10:mn10:mp20:mp30:mn20:mn3id-103.8117u102.9278u-102.9278u-100.0000u103.8117u100.0000usubcktelement0:mp40:mn40:mp50:mn50:mp60:mn6id-409.6529u409.6847u-409.6529u409.6847u-100.0000u100.0000u分析靜態(tài)電流如下為：Imn1+Imn3+Imn4+2Ib+IBA+IBB=102.9278uA+100uA+409.6847uA+200uA+100uA+100uA=1.01mA＜1.5mA滿足條件。即有增益為70.8db＞65db，帶寬積為40.25MHz＞5MHz轉(zhuǎn)換速率SR=124.5v/us＞60v/us.靜態(tài)電流為1.01mA＜1.5mA滿足條件，題目所需要的要求全部達(dá)到。設(shè)計(jì)結(jié)果討論與分析設(shè)計(jì)指標(biāo)、計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果對比參數(shù)比較閉環(huán)增益Av增益—帶寬積GBW轉(zhuǎn)換速率靜態(tài)電流設(shè)計(jì)指標(biāo)>1778(65dB)>5MHz>60V/us<1.5mA計(jì)算結(jié)果5000(73.9)45.83MHz701.1mA仿真結(jié)果3560(70.8)40.25MHz124．5V/us1.01m4從以上的結(jié)果對比中可以看到,計(jì)算結(jié)果以及最后仿真的結(jié)果都是滿足題目要求的,基本相差不大，并且與題目所需要的條件之間有一定的寬裕量,完全符合題目要求。同時，在仿真的過程中發(fā)現(xiàn)mp1和mp6對管子的影響很大很大，些微改變就對放大倍速有很大的影響，而轉(zhuǎn)換速率，對于一個電路，當(dāng)連接好器件之后基本沒有任何變化，如本電路一直是124.5v/us。但是,與實(shí)際上的仿真結(jié)果之間有著不小的差別,經(jīng)過討論分析,有這兩大原因:1:在進(jìn)行單管分析時,對于很多小電流,以及邊緣效應(yīng)都忽略了它們對管子的性能的影響,但是當(dāng)很多管子級聯(lián)時(如題有6管子連接)，管子之間這種細(xì)小的誤差都會被放大，例如將mp1的寬度設(shè)置由34.7u變?yōu)?6u時，有如下仿真放大倍速輸出比輸入的值只為原來的1%，這個值的改變很巨大，同樣對mp6的值做改變，也有很大的變化，這是因?yàn)楦淖兞斯茏拥墓ぷ鲄^(qū)間（在后面級單管影響小，不可能會如此影響），同時，對于很多參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時，并不是嚴(yán)格的的等號，而是取的近似值，本身就會有著一定的誤差，如對增益進(jìn)行計(jì)算時候，近似為了 RF/Rs，就會產(chǎn)生誤差。2：對于管子，在不同條件下，很多參數(shù)會發(fā)生變化，當(dāng)連接在一起的時候，就會互相影響，而不是計(jì)算時候的不變值，這也會產(chǎn)生一定的誤差，例如在單管仿真的時候，給定不同的電流，管子的溝道調(diào)制參數(shù)會自動發(fā)生些微的變化。實(shí)驗(yàn)心得與體會本次IC課程設(shè)計(jì)終于結(jié)束，此次課設(shè)由我和XX同學(xué)共同完成，我負(fù)責(zé)了所有的設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算部分，參數(shù)修改過程是共同完成的，這次課設(shè)毫無例外又讓我學(xué)到好多東西，不僅是關(guān)于學(xué)術(shù)的，還有合作方面的。大二下我們學(xué)習(xí)過《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了，但是對于實(shí)踐方面的知識一無所知。因?yàn)橛羞@門課程設(shè)計(jì)，我們學(xué)會并學(xué)著將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來。在這次課程設(shè)計(jì)中，我覺得很重要的一點(diǎn)就是在時間安排，計(jì)劃分工，團(tuán)結(jié)合作。記得剛開始分配到課題的時候基本上什么都不懂，只知道自己負(fù)責(zé)的大概是電流型運(yùn)放的方向，但是具體的卻不知道如何下手，不知道從哪個點(diǎn)切入。在網(wǎng)上搜了很多資料，由于電流型運(yùn)放是一種較新的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，所以搜到的資料是有限的同時也是寶貴的。我們查找找到的更多是電壓型運(yùn)放的相關(guān)資料，這樣就更顯示出電流型運(yùn)放的新穎性和必要性了，我們不斷地通過對比分析明白了兩種運(yùn)放的區(qū)別和聯(lián)系，這樣有助于我們以后的設(shè)計(jì)與計(jì)算仿真。關(guān)于設(shè)計(jì)電路這塊，其實(shí)剛開始發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上查找到的資料是有限的，并且其中大部分的CMOS電路包括很多塊，輸入緩沖級、反相輸入端、中間電流鏡、輸出緩沖、電路補(bǔ)償?shù)鹊鹊模@種電路復(fù)雜全面并且