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华科IC课程报告-CMOS运算跨导放大器的设计

题目：CMOS运算跨导放大器的设计

院系：控制科学与工程系

专业班：自动化1004班

姓名：***

学号：********

同组成员：***

指导教师：***

2013 年 1 月

摘要

本文设计了一个二级CMOS运算跨导放大器，电路基于0.35umCMOS工艺，通过选择合适的结构与参数获得需要的带宽与相位裕度。为保证放大器的稳定性，在输出与第二级跨导之间引入Miller补偿。

根据设计参数与电路，采用Viewlogic绘出设计所需电路图，并利用Hspice编写仿真网表，对整个设计进行仿真。设计所涉及的主要参数包括GBW，负载电容，相位裕度与电源电压。

本课程设计报告主要内容包括：选题分析，小组分工，整体设计，理论分析，仿真实现，统筹总结，感想，致谢，参考文献和附录等部分。

选题分析主要针对二级CMOS运算跨到放大器的背景与应用进行分析；小组分工主要关于设计过程中小组成员的任务职责与个人任务的完成情况，同时根据个人分工不同针对项目整体，理论分析，网表仿真与统筹总结等不同方面加以具体阐述。

关键词：运算跨导放大器Hspice Miller补偿0.35umCMOS工艺

Abstract

This report is about a two-stage CMOS operational transconductance amplifiers and the circuit based 0.35umCMOS process reaching the required bandwidth and phase margin by choosing appropriate structure and parameters.To ensure the stability of the amplifier, Miller compensation was introduced between the output and the second stage transconductance.

According to the design parameters and circuit,Viewlogic was used to design the required circuit diagram,Hspice was used to write simulation netlist and the whole designer was be simulated.The main parameters involved in the designer include GBW, load capacitance phase margin and supply voltage.

The main contents of the report include analysis of topics, group division of labor, the overall design, theoretical analysis, simulation, summarize, feelings, ,references acknowledgements and appendix section.

Analysis of topics mainly focuse on the background and application of the two-stage COMS operational transconductance amplifiers, group division of labor is about the duties and personal tasks of the team members and the completion of the individual tasks. According to personal tasks, the report has described overall project,theoretical analysis, netlist simulation and summarize in different degrees.

Key W ords：operational transconductance amplifiers Hspice Miller compensation 0.35umCMOS process

摘要............................................................................................................................... I ABSTRACT ....................................................................................................................... II 1 选题分析 (1)

1.1设计要求 (1)

1.2设计背景 (1)

2 小组分工 (3)

2.1任务分布 (3)

2.2分工与个人任务完成 (3)

3 理论分析 (4)

3.1运算放大器工作原理 (4)

3.2运算放大器设计 (5)

3.3电路设计 (7)

3.4参数设计 (7)

4 仿真实现 (9)

4.1仿真环境介绍 (9)

4.2仿真过程介绍 (9)

5 结果分析 (12)

6 心得体会 (12)

致谢 (13)

参考文献 (14)

附录 (15)

1 选题分析

1.1 设计要求

指导老师：陈晓飞（87611245转8411，xfchen@https://www.wendangku.net/doc/f217358403.html,）

助教：沈亚丁Tel: 134********，Email: 769094724@https://www.wendangku.net/doc/f217358403.html,

基于0.35um CMOS工艺，设计一个二级Miller补偿CMOS 运算跨导放大器电路，要求满足：

（1）GBW = 15MHZ @Cload= 3 pF；

（2）相位裕度大于70°；

（3）电源电压为3.3V。

1.2 设计背景

运算放大器是具有足够正向增益的放大器（受控源），当加负反馈是，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很多有用的模拟电路和系统。运算放大器已经成为模拟电路设计中用途最广、最重要的部件。

考虑到运算放大器的增益需求，多数运算放大器采用两级或多级增益。本次设计中采用的两级运算放大器是最常用的运算放大器之一，结构简单且实用，其它各种运算放大器均是在两级运放的基础上发展演变而成。

两级运算放大器将引进"补偿"的重要概念，补偿的目的是在运算放大器加负反馈时保持整个电路工作的稳定。有许多方法可以对运算放大器做出补偿，在二级运算放大器中，Miller补偿是比较常见的补偿形式。

仿真对于验证和优化设计是必需的。通过模拟仿真可以在一定程度上对设计结果进行验证，并且对手工计算的参数进一步的优化。Star-Hspice优化仿真电路仿真器是Anvant公司的工业级的电路分析软件，用以电子电路的稳态、瞬态及频域的仿真和分析。该软件可以精确的仿真、分析、优化从直流到高于100GHz频率的微波的电路，属于电路单元设计与模型处理的理想工具。基于Star-Hspice的有关特点，整个设计过

程中，我们采用其作为主要设计环境。

2 小组分工

2.1 任务分布

此次IC课程设计主要包括如下方面：

（1）课题整体分析

（2）答疑与提问

（3）理论分析与电路设计

（4）参数设定与优化

（5）网表编写与编译

（6）电路测试与仿真

（7）资料查阅与结果分析

（8）撰写报告

2.2 分工与个人任务完成

整个设计过程中，我主要负责理论分析与电路设计、参数设定与优化并参与了对仿真结果的修改与优化。

课程开始前期，我们根据设计要求对整个设计任务进行了分析与分工，从整体上将设计过程分为包括电路与参数设计在内的理论分析过程与包括网表编写和仿真在内的验证过程。

在课题整体分析阶段，小组成员一起对课题进行了研究，对所需要的相关知识进行了总结和分类，并且由李坤鹏同学对设计涉及的相关模块进行了分类。

理论分析与电路设计属于整个设计过程的前中期，并且作为后期网表设计与仿真的主要依据，对整个设计过程的进展和设计结果具有重要的影响。根据设计前期确定的理论分析和仿真验证同步进行的原则，我在一开始对设计中可能用到的理论知识进行了学习，并且通过和其他小组之间的交流，进一步加深了对题目的里解决。交流在设计过程中起到了非常重要的作用，通过学习他人的经验，可以避免很多思维上的误区和设计上的弯路。

为了进行电路和参数的设计，首先需要一定的知识储备，在确定分工后，我根据

课题有关资料和图书馆有关书籍，学习了有关模拟电路设计原理方面的知识。同时，**同学开始对仿真验证所需要的相关软件进行了学习。在此过程中，李坤鹏同学整理了许多资料，在很大程度上加快了设计的进展。

电路与参数的设计主要包括电路结构的选择与参数的确定两部分，考虑的前后知识的一贯性，两部分主要都由完成。仿真与验证工作均基于Hspice软件，主要有**同学负责完成。根据设计的相关要求，李坤鹏同学对设计的结果进行了分析和总结。

就整个设计过程而言，小组的任务比重如下：

***

整个设计过程中，小组成员都根据各自分工的需要查阅了大量的报告资料，这里就不再赘述。

同时需要强调的是，本次课设是团队合作的结果。在指导老师和助教的帮助下，小组成员之间相互配合，共同合作，通过合理的分工与安排共同实现了相关目标。整个设计中，没有谁出于孤军奋战的位置，也没有谁仅仅毫无付出而坐享其成。小组的每个成员都为此次IC课设付出了自己的努力，同时各个小组之间的相互的交流与学习也对此次课设的完成有很大的帮助。

3 理论分析

3.1 运算放大器工作原理

运算放大器如图3.1有两个输入端a（反相输入端），b(同相输入端)和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。)之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。

图3.1

3.2 运算放大器设计

运算放大器的设计可以分为基本结构选择与参数选择两部分。

基本结构描述了晶体管的相互关系与运放内部的电路结构，这个结构一经确定，在整个设计过程中一般不会有太大的改变。

选定结构后，需要根据设计要求确定晶体管尺寸、选择直流电源并且进行电路补偿。在设计过程中，必须考虑以下条件：

（1）电源电压范围

（2）工作温度范围

（3）电源电流范围

（4）工艺尺寸规模

（5）工艺规范（V T，K’，C OX等参数）

根据设计的不同要求与运放的不同类型，设计运算放大器的设计过程中需要考虑

如下主要参数中的一部分：（1）共模输入电阻（RINCM）

（2）直流共模抑制（CMRDC）

（3）交流共模抑制（CMRAC）

（4）增益带宽积（GBW）

（5）电源抑制比（PSRR）

（6）转换速率/压摆率（SR）

（7）单位增益带宽（BW）

（8）共模抑制比（CMRR）

（9）输入共模范围（ICMR）

（10）输入电压噪声密度（eN）

确定结构类型与技术指标后，可根据近似公式手工计算器件的尺寸，并利用仿真工具进行电路优化设计。手工计算可以在整个任务的20%的时间内完成大约80%的工作，剩下的20%的优化设计工作可能需要80%的时间完成。

总体来说，设计过程有两个主要步骤。第一是设计的概念，第二是设计的优化。设计的概念提出满足给定指标要求的结构。通常，这一步用手工计算完成。第二步是为了进行初步设计、验证并优化。

3.3 电路设计

根据设计要求，电路采用标准两级运算放大器电路。通过电流源实现直流偏置，并且在输出与第二级跨导输入间引入电容Cc实现Miller补偿。基本电路结构如图所示：

3.4 参数设计

确定电路基本结构后，可以根据设计要求，确定电路中各晶体管参数与补偿电容参数。本次设计已知参数如下：

（1）增益带宽积GBW = 15MHz

（2）负载电容Cload = 3pF

（3）相位裕度大于70°

（4）电源电压3.3V

首先根据负载电容与相位裕度要求计算补偿电容Cc最小值：

)

3(4.0=

>（3－1）

Cc2.1

选定Cc为1.2pF

设计无压摆率要求，故：

A I μ205=

（3－2）

根据输入的共模范围，可以确定M3，M4尺寸范围：

1335

33)]

(V )(||)()['()/(最小最大最大r TO in DD V V V K I L W S +--=

（3－3）

由于设计无ICMR 要求，故可取参数：

1843==S S

（3－4）

根据Cc 与增益带宽关系，可以确定输入管跨导：

S g m μπ113)10

2.1)(2)(1015(12

61=??=-

（3－5）

宽长比(W/L)1直接由g m1得出如下：

)

)('()/(511

51I K g

L W S m =

（3－6） 7

.7)/()/(121===S L W L W

（3－7）

由于设计无相关参数要求，通过近似估计可得：

4.15)/(2)/(15=?≈L W L W

（3－8）

根据经验公式：

A I I μ80456=≈

（3－9）

直流电流6I 计算公式为：

6'2S K g

I m =

（3－10）

根据公式3-9与3-10可计算得：

2966≈S

（3－11）

M7管的尺寸可以由下面给出的平衡方程式决定：

)(

657I I S S =

（3－12）

根据公式3-12可以计算得：

6.617=S

（3－13）

根据电路的对称性，偏置电流源电流：

A I μ20=

（3－15）

4 仿真实现

4.1 仿真环境介绍

此次设计采用Avant 公司的工业级电路分析软件Star-Hspice 。Hspice 拥有无与伦比的优势用于快速精确的电路和行为仿真。它使电路级性能分析变得容易。

Star-Hspice 与绝大多数SPICE 的变种相兼容，并有如下附加的特征： (1) 优秀的收敛性

(2) 精确的模型，包括许多加工模型 (3) 层次节点命名参考

(4) 对模型和电路单元的最优化，在AC ，DC 和瞬态仿真中，带有递增和同步的

多参数优化。

(5) 带解释的Monte Carlo 和极坏设计支持

(6) 可参数化单元的输入输出及行为算术描述（algebraics ） (7) 有对高级逻辑仿真器校验库模型的单元特征化工具 (8) 对PCB 板，多芯片，包装，IC 技术的几何损耗耦合传输线 (9) 离散部件，针脚，包装和销售商IC 库

(10) 来自于多重仿真的AvanWaves 交互式波形图和分析 4.2 仿真过程介绍

仿真基于**所编写的网表代码，得到的相关截图如下：

上图为Hspice主操作界面

仿真曲线显示设置，选择所需观察参数

仿真所需要的主要代码见附录，关于仿真的具体过程详见同组成员**同学报告

5 结果分析

仿真所得曲线如下：

由仿真结果可以看出，GBW=15.9MHz，相角裕度为-110°+180°=70°。

该仿真结果符合实验预期参数要求。

以上报告主要基于此次课设中我所负责的工作以及完成情况，重点针对课设中原理分析与电路设计部分。报告中涉及的仿真与实现等内容未进行详细介绍，具体细节可以参见小组其它成员IC课程设计报告。

6 心得体会

致谢

在此次课设过程中，我们获得了来自许多方面的帮助，特在此：衷心感谢对整个IC提供知识讲解的*；

衷心感谢负责此次课题的*；

衷心感谢在课设过程中提供很多经验和资料的*；

衷心感谢学校图书馆所提供的书籍资料和各大数据库使用权限；衷心感谢小组各位成员：*；

（排名不分先后）

参考文献

[1] 刘刚，雷鑑铭，高俊雄，陈涛.微电子器件与IC设计基础（第二版）.科学出版社,2009.8

[2] Philip E. Allen Douglas R. Holberg著，冯军，李智群译. CMOS Analog Circuit Design Second

Edition

[3]尹睿. 二级密勒补偿运算放大器设计教程.复旦大学

[4] 康华光. 电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社.

[5] 钟文耀，郑美珠. CMOS电路模拟与设计.科学出版社,2007.7

[6]邹雪城，雷鑑铭，邹志革，刘政林. VLSI设计方法与项目实施.科学出版社,2007.8

附录

软件仿真主要网表代码：

**Cmos_2_gm_amplify***

.param W1=7.7u L1=1u

.param W2=7.7u L2=1u

.param W3=18u L3=1u

.param W4=18u L4=1u

.param W5=15.4u L5=1u

.param W6=103.6u L6=0.35u

.param W7=61.6u L7=1u

.param W8=15.4u L8=1u

.param Cc=1.2p

.param Cl=3p

.param Vdd=3.3

.param Vss=-3.3

.param Is=20u

M1 1 vn 3 3 N_33 W=W1 L=L1

M2 4 vin 3 3 N_33 W=W2 L=L2

M3 1 1 vdd vdd P_33 W=W3 L=L3

M4 4 1 vdd vdd P_33 W=W4 L=L4

Is vdd 5 dc Is

M5 3 5 vss vss N_33 W=W5 L=L5

M8 5 5 vss vss N_33 W=W8 L=L8

Cc 4 vout Cc

M6 vout 4 vdd vdd P_33 W=W6 L=L6

M7 vout 5 vss vss N_33 W=W7 L=L7

.LIB '.\CMOS_035_Spice_Model.lib'tt

华中科技大学IC课程设计报告

Cl vout 0 Cl

Vdd vdd 0 dc Vdd

Vss vss 0 dc Vss

Vin vin vn dc 0 ac 1u sin(0 100u 1k)

Vn vn 0 dc 0

.ac dec 10 100 1g

.plot ac vdb(vout) vdb(vout,vin)

.tran 1m 5m

.plot v(vin) v(vout)

.end