CMOS运算放大器的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日目录第一章绪论 (7)1.1设计平台及软件介绍 (7)1.1.1PSPICE简介 (7)1.1.2 L-Edit简介 (7)1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介 (7)1.2 设计方法 (8)1.2.1CMOS运算放大器设计方法 (8)1.2.2运算放大器的性能优化 (8)第二章全差分运算放大器基础 (10)2.1 MOS器件基本特性 (11)2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性 (11)2.1.2 MOSFET的小信号模型 (12)2.2运算放大器概述 (13)2.3全差分运算放大器特点 (14)第三章CMOS模拟运放设计 (16)3.1设计目标 (16)3.2电路结构分析 (16)3.3.1 输入级设计 (18)3.3.2电流镜电路 (18)3.3.3偏置电路 (19)3.3.4 输出级 (20)3.3.5 整体电路 (20)第四章运放参数的模拟与测量 (22)4.1瞬态分析 (22)4.2 温度特性 (23)4.3输出阻抗 (24)4.4交流特性分析 (25)5.1版图设计基础 (26)5.1.1设计流程 (26)5.1.2 L-edit中的版图设计 (27)5.2 版图设计 (28)5.3版图参数的提取并仿真 (29)5.3.1版图参数的提取和修改 (29)5.3.2电路仿真 (29)第六章总结 (31)【参考资料】 (32)附录： (33)一、Pspice仿真代码： (33)1、原理层次仿真代码（偏置电压由直流电压直接替代） (33)2、MOS分压电路中MOS宽长比确定电路 (35)3、最终Pspice仿真代码 (35)二、版图生成代码 (37)三、版图修改代码 (40)第一章绪论1.1设计平台及软件介绍1.1.1 PSPICE简介PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。

于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

PSPICE仿真软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。

它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。

与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。

被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。

1.1.2 L-Edit简介L-Edit是专用集成电路设计软件TannerTools中的主要版图设计软件，是一个用来制造集成电路掩膜的版图设计工具。

L-Edit中的层与掩膜生产过程相关联，不同的层能被方便地显示为不同的颜色和样式，并且每层间相互独立。

L-Edit 以文件、单元、简单的掩膜的形式描述版图设计。

其最大的特点是速度快、功能强、使用方便和分层设计。

1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介Cadence、OrCAD、Capture 是线路图输入系统，具有快捷、通用的设计输入能力，针对设计一个新的模拟电路、修改现有的一个 PCB 的线路图、或者绘制一个 HDL 模块的方框图，都提供了所需要的全部功能。

它运行在 PC 平台，用于 FPGA 、 PCB 和Cadence、OrCAD、PSpice设计应用中，它是业界第一个真正基于 Windows 环境的线路图输入程序，易于使用的功能及特点已使其成为线路图输入的工业标准。

1.2 设计方法1.2.1CMOS运算放大器设计方法CMOS运算放大器的设计通常包括结构设计和器件设计两个状态。

首先，寻找可行的结构，如果选择的结构不符合要求，则需要修改结构或重新设计。

一旦符合条件，接着进行器件设计，确定直流工作点、器件尺寸和偏置网络，必须仔细计算器件的尺寸以满足运放的交、直流要求。

为了满足所有的设计指标，这两个设计步骤需要重复的进行。

下图给出了运算放大器的设计流程：图1.1：模拟运算放大器设计流程1.2.2运算放大器的性能优化“理想”运放具有以下的特性：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换速率和开环增益；无噪声、失调、功耗浪费和信号失真；无负载、频率和电源电压的限制。

事实上，没有运放能达到以上所有的特性。

在实际的设计中，运放参数中的大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。

如下图“模拟电路设计八边形法则”所示，这样的折衷选择、互相制约对高性能放大器的设计提出了许多难题，要靠理论和经验才能得到一个较佳的折衷方案。

图1.2：模拟电路设计八边形法则第二章全差分运算放大器基础本章主要介绍MOS器件的一些特性，以及运算放大器的相关内容。

2.1 MOS 器件基本特性2.1.1 MOSFET 的结构和大信号特性下面为N 沟道增强型MOS 管的剖面图及其输出特性曲线。

图2.1：强反型时增强型NMOS 管的剖面图图2.2：NMOS 管的i-u 特性CMOS 管的强反型区：当MOS 器件的栅源电压大于阈值电压时，称之为强反型状态。

当TH GS DS u u u ->时，器件饱和区，这里的DS u ，GS u 与TH u 分别指MOS管的漏源电压、栅源电压和阈值电压。

实际上，在MOS 运放设计中，大部分的MOS 管都是工作在饱和状态，因为对于给定的漏极电流和器件尺寸来说，工作在饱和区可以提供稳定GS u 的电流和比较大的电压增益。

在饱和区，MOS 器件的漏极电流d i 和栅源电压的关系由下式决定：()()2221TH GS N TH GS ox n D u u K u u LWC i -=-=μ 式中uN 为NMOS 沟道中电子迁移率，COX 为栅氧化区单位面积电容，W 为有效沟道宽度，L 是有效沟道长度，KN 为NMOS 管的导电因子。

在模拟电子电路中，MOSFET 的跨导gm 是一个重要的参数。

根据上式可求得MOSFET 在饱和区静态工作点处的小信号跨导：()THGS DTH GS oxn GS D m u u i u u L W C u i g -=-=∂∂=2μ或者Dox n m i LW C u g 2=可见MOSFET 的饱和区的跨导m g 不仅与它的工作电流D i 有关，而且可通过选择器件尺寸LW加以改变。

正因为如此，使MOS 模拟IC 的设计更为灵活。

2.1.2 MOSFET 的小信号模型当NMOS 管在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如下 图所示，在电路计算中，由MOS 管的大信号模型算出电路的静态工作点后，就必须由小信号等效模型来分析电路。

小信号模型是能简化计算工作的线性模型，它是在一定的电压电流下有效，它的各项参数依赖于大信号模型参数和直流变量。

图2.3：MOSFET 的小信号模型上图列出手工设计时的简化等效电路模型，各参数定义如下：栅-衬底电容DB C 和源-衬底电容SB C ；GB C 、GS C 、栅-漏电容GD C ；()TH GS oxn GS D m u u LWC u i g -=∂∂=μ 饱和区跨导：令 LW C oxn μβ=m g 可以表示为：()D TH GS m i u u g ββ2=-=输出电阻为：Do i r λ1=输出电阻影响模拟电路的许多特性，例如，它限制着大多数放大器的最大电压增益。

在简化的手工分析中，可以使用近似表达式：GS m D u g i =2.2运算放大器概述运算放大器是模拟电路设计中用途最广/最重要的部件，大量的具有复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置产生到高速放大或滤波。

运算放大器是具有足够正向增益的放大器（受控源），当加负反馈时，闭环传输函数与运算放大器的增益几乎无关。

利用这个原理可以设计出很多有用的模拟电路和系统。

对运算放大器最主要的一个要求是有一个足够大的开环增益以符合负反馈的概念。

单级放大器大多没有足够大的增益，因此多数CMOS 运放采用两级或多级增益。

最常用的运算放大器之一是两级运算放大器，下图为最常用的两级运算放大器的框图。

图2.4：运算放大器的基本结构上图描述了运算放大器的重要组成部分，CMOS运算放大器在结构上非常类似于双极型运算放大器。

输入级——主要作用是放大差模输入信号，由差分放大电路组成，有时会提供一个差分到单端的转换，利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比，可以改善噪声和失调性能，且具有很强的抗干扰能力，并具有温度漂移下、级间易直接耦合。

增益级——这一级的主要作用是提高电压的增益，如果差分输入级没有完成差分到单端的转换，那么这个工作应该由这级来完成。

输出级——输出级一般由源极跟随器或推挽放大器组成，用于降低输出阻抗，维持大的信号摆幅。

偏置电路——主要用于为每只晶体管建立适当的静态工作点。

补偿电路——在运算放大器中加负反馈，用以保持整个电路工作的稳定。