IC课程设计论文题目：运算放大器电路的设计2012/1/5摘要本次课程设计主要内容为：利用MOS管设计一个运算放大器。

放大器具有放大小信号并抑制共模信号的功能。

首先从放大器理论参数及结构下手，然后经过Hspice网表的生成及仿真调整最后得到满足参数要求的MOS管设定。

关键词：运算放大器，共模电压，电压摆幅，功耗电流Hspice仿真，增益带宽ABSTRACTThe main content of course design for: use the design a MOS operational amplifier. Amplifier has put size and control signal common mode signal function. Starting from the first amplifier parameters and structure theory laid a hand on him, and then after the formation of the Hspice nets table and adjust the final simulation parameters of the requirements to meet the MOS set.K eywords: operational amplifier ，common-mode voltage ，voltage swing current consumption ，Hspice simulation ，Gain bandwidth摘要 (1)ABSTRACT (2)1.题目理解及要求 (4)1.1运算放大器介绍 (4)1.2 实验要求及设计指标 (5)2设计及计算过程 (6)2.1电路设计 (6)2.2理论计算 (7)3网表文件 (14)3.1输入共模电压摆幅 (14)3.2输出电压摆幅 (15)3.3增益带宽 (16)4仿真结果与分析 (18)4.1输入共模电压摆幅： (18)4.2输出电压摆幅： (19)4.3增益带宽： (19)5实验结论 (20)6致谢 (21)7参考文献 (22)8心得体会 (23)1.题目理解及要求1.1运算放大器介绍运算放大器（operational amplifier ）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”。

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，大部分的运放是以单芯片的形式存在。

运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

1.2 实验要求及设计指标利用MOS管设计一个运算放大器。

放大器具有放大小信号并抑制共模信号的功能。

运算放大器工艺要求如下：1基于0.35um 3.3V工艺进行设计。

2功耗电流小于10uA。

3输入共模电压范围为1V—3.1V。

4输出电压摆幅0.3—3V。

5电压增益大于35dB。

6带宽大于15M。

2设计及计算过程2.1电路设计VCCVb MP1MP2MP3MN3MN4Vout MN1MN2输入共模信号输入共模信号以及小信号Vss2.2理论计算过程：第一步：有输入共模范围确定MP2，MP3，MN3，MN4的宽长比（W/L)分流 2uA ，3uA ，3uA(1)共模范围min 部分;d3MN3S3g3min g2s2d2GNDMN223min Vds Vgs V +=uAI t Cox VVds Vds l wc u I Vt Vds Vgs V l wc u I Vth Vgs Vth Vgs lwc u I oxoxox n ox n ox n 32.0)(2h min )(2))((00220202210==≈++=+=+=⇒-=εεVth 可以有元件库读取共模范围max 部分：d3MP2S3g3max g2s2d2MN3vdd))(2(max )(22)2)((21222max 22:20020l wc u I V V l wc u I Vth Vgsm p Vth Vgsm p l w upCox I Vgsm p Vdsm p Vdsm p V V Vdsm p Vgsm p MP ox n DD ox n DD -=⇒+=⇒-==-==综上：))(2(2)(200l w c u I V Vc Vds l w c u I Vth ox n DD ox n n -++=1V =3.2V可求MN3，MN4的W/L 可求MP2，MP3的W/L 第二步：确定MP1的W/LgsdIoMP1VbVgs V Vb Vth Vgs l wupCox I uAI DD p -=-==200))((212工程取 V V t h pV g s 2.0=- 则 Vthp V Vb DD --=2.0 MP1 宽长比：220)2.0(2)(2)(upCox I Vth Vgs upCox I lw p =-=第三步：镜像电流源的宽长比GNDg1s1d1g2d2s2I1I0MN1MN2uA I 20= uA I 61= 20))((21Vth Vgs lwCox u I n -=工程上取 2.0=-Vt h Vg s则 220)2.0(2)(2)(C o x u I V t h V g s C o x u I lwn n =-= MN1管：20)2.0(2)(Cox u I l w n = MN2管： 2)2.0(6)(Cox u I l w n = 综上：已经确定6个管的W/L 了 电压增益的推导过程： 小信号等效图：对节点A 使用KCL 知，022203011=+++gm Vgs r Vxr Vx Vgs g mp mn mVin Vgs ∆=211｛Vx Vgs =2则 ：02203011=+++Vx gm r Vxr Vx Vgs g mp mn m 又 2030112mp mn r r gm +则： 02210211=+=+Vx gm gm Vin Vx gm Vgs gm对节点B 使用KCL 知：Vx Vgs Vin Vgs Vgsxgm r Voutr Vout Vgs g mp mn m =-==+++4210343040330321444030=+++-⇒gm Vgs r Vout r Vout Vin gm mn mp有管的对称性知：13gm gm = 24gm gm = 所以：0)(40301=+-mn mp r Voutr Vout Vin gm 则： )(431omn omp r r gm VinVoutAv ∙==其中：)(13000uA D I I r ==λ 关于MP1的W/L ：011355.010355.11)2.0(10933.4107853294.11022)(32526=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---l w 取为0.0114，令 L=44um W=0.5um 关于MN1，MN2：32526105)2.0(10933047498.410004569.41022---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 100m i n max =w l 9.3/1085187817.8)/(4569.4001402=⨯=∙=-ox n cmF q S V cm u εMN1：w=1.5um l=0.5um MN2：w=3um l=1um Vth0=0.588v607.09.02)(200==++Vthn VVds lw Cox u I Vth n 取 Vds2=0.2v ，则20)093.0()(2V lw Cox u I n =591410933047498.4100.79.310854187817.8---⨯=⨯⨯⨯==ox o Cox εε 81539.010*********.8)093.0(10993047498.410004569.4103232526=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---l w 则： W/L=0.03511675 取W/L=0.03512则MN3 MN4的宽长为W=5.5um L=1.5um59142010933.4100.79.310854187817.8030)/(107853294.13.38019.02.3)(2(---⨯=⨯⨯⨯===⋅⨯==-==+-tox oxCox uAI s v cm up VVDD V Vthp VlwCox u I Vth V p p DD εε则：2220]9519.0[]8019.015.0[])15.3([)(2=+=++-=VDD Vthp lw Cox u I p则：（W/L)=0.0354 故宽长比可以为0.0354 MP2 MP3的长宽为 W=1.25um ，L=0.45um3网表文件3.1输入共模电压摆幅DC-OUT+gong.lib "D:\CMOS_035_Spice_Model.lib" ttMP1 4 Vb Vcc Vcc P_33 w=5u l=5uMP2 1 1 Vcc Vcc P_33 w=1.25u l=0.45u MP3 2 1 Vcc Vcc P_33 w=1.25u l=0.45u MN1 4 4 0 0 N_33 w=1.5u l=0.5u MN2 3 4 0 0 N_33 w=3u l=0.5u MN3 1 Vin 3 0 N_33 w=5.5u l=1.5u MN4 2 Ving 3 0 N_33 w=5.5u l=1.5uVcc Vcc 0 3.3VVb Vb 0 2.1VVin Vin 0 1V.DC Vin 0 3.3 0.01.op.probe dc v(2).probe dc i(MN2).options ingold =2 csdf =2 .end3.2输出电压摆幅DC-OUT+ACACVincmbaifu.lib "D:\CMOS_035_Spice_Model.lib" ttMP1 4 Vb Vcc Vcc P_33 w=5u l=5uMP2 1 1 Vcc Vcc P_33 w=1.25u l=0.45u MP3 2 1 Vcc Vcc P_33 w=1.25u l=0.45u MN1 4 4 0 0 N_33 w=1.5u l=0.5u MN2 3 4 0 0 N_33 w=3u l=0.5u MN3 1 Vin 3 0 N_33 w=5.5u l=1.5uMN4 2 Ving 3 0 N_33 w=5.5u l=1.5uVcc Vcc 0 3.3V Vb Vb 0 2.1V Vin Vin 0 1V Ving Ving 0 1V.DC Vin 0 3.3 0.01 .op.probe dc v(2).options ingold =2 csdf =2 .end3.3增益带宽-OUT+ACACDCVincmzeng.lib "D:\CMOS_035_Spice_Model.lib" ttVcc Vcc 0 3.3Vb Vb 0 2.1vin vin 0 1 ac 1ving ving 0 1MP1 4 Vb Vcc Vcc P_33 w=4u l=4uMP2 1 1 Vcc Vcc P_33 w=1.25u l=0.45u MP3 2 1 Vcc Vcc P_33 w=1.25u l=0.45u MN1 4 4 0 0 N_33 w=1.5u l=0.5u MN2 3 4 0 0 N_33 w=3u l=0.5u MN3 1 Vin 3 0 N_33 w=5.5u l=1.5u MN4 2 Ving 3 0 N_33 w=5.5u l=1.5u.OP.ac dec 20 1 20meg.probe ac vdb(2)vp(2).options ingold =2 csdf =2.end4仿真结果与分析4.1输入共模电压摆幅：结果显示：共模电压摆幅在1~3.1V,满足要求。