1、运算放大器设计题目：运算放大器电路的设计系 （部）：控制系专 业 班：姓 名：学 号：指导教师：2012 年 1 月摘 要本次设计是以CMOS管为基础，实现运算放大器的设计，使其达到一定的性能要求。关键词：CMOS 运算放大器目 录1 题目要求 32 参数设计 32.1 电路图 32.2 工艺参数 32.3 计算过程 42.3.1 计算各管子尺寸 42.3.2 仿真以修正参数 43 仿真过程 53.1 总体网表编写过程 53.2 输入共模电压摆幅 53.2.1 测试电路 53.2.2 网表编写 53.2.3 测试结果 73.3 输出电压摆幅 73.3.1 测试电路 73.3.2 网表编写 73
2、.3.3 测试结果 93.4 电压增益及带宽 93.3.1 测试电路 93.3.2 网表编写 93.3.3 测试结果 114 设计总结和体会 115 致 谢 126 参 考 文 献 121 题目要求要求基于0.35um 3.3V工艺进行设计一个功耗电流小于10uA、输入共模电压范围为1V3.1V、输出电压摆幅为0.33V、电压增益大于35dB、带宽大于15M的运算放大器。2 参数设计2.1 电路图2.2 工艺参数NMOS管PMOS管2.3 计算过程2.3.1 计算各管子尺寸设定流过MN1和MN2的电流分别为2A和4A，根据管子饱和时Sah氏方程，共模输入最大、最小电压的值以及一些必要的假定值，
3、可以初步计算出各管子的宽长比为：=1，=0.5，=1，=0.6。2.3.2 仿真以修正参数假定所有管子的长度L=1m，即网表（部分）如下：MP1 1 VB VDD VDD p_33 w=1u l=1uMP2 2 2 VDD VDD p_33 w=1u l=1uMP3 Vout 2 VDD VDD p_33 w=1u l=1u MN1 1 1 0 0 n_33 w=0.5u l=1uMN2 3 1 0 0 n_33 w=1u l=1uMN3 2 Vin1 3 0 n_33 w=0.6u l=1uMN4 Vout Vin2 3 0 n_33 w=0.6u l=1u仿真发现增益达到要求，但带宽过窄，
4、故经调试发现改变P2、P3、N3、N4管的长度值，即可在保证增益和带宽同时达到要求。修改后参数如下：MP1 1 VB VDD VDD p_33 w=2u l=2uMP2 2 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6uMP3 Vout 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6u MN1 1 1 0 0 n_33 w=1u l=2uMN2 3 1 0 0 n_33 w=2u l=2uMN3 2 Vin1 3 0 n_33 w=1.2u l=2uMN4 Vout Vin2 3 0 n_33 w=1.2u l=2u3 仿真过程3.1 总体网表编写过程32Vin201Vin1
5、VDD对各节点编号如上图所示，对应上图命名CMOS管为MP1、MP2、MN1、MN2、MN3、MN4，并根据上图所示节点位置进行连接。根据测试需要修改某些管子的节点编号以及测试电压源的节点编号、参数值。根据不同测试要求选择扫描类型，如：.DC（直流扫描）、.AC（交流小信号扫描）等。 3.2 输入共模电压摆幅3.2.1 测试电路3.2.2 网表编写由于输入的共模电压范围为直流量，故需使用.DC语句在输入共模电压值从03.3V时对电路进行直流扫描分析，并使用.PRINT语句将通过N3管的电流打印并显示于图表中，通过观察其变化情况来确定共模电压范围。gongmo.lib c:CMOS_035_Sp
6、ice_Model.lib ttMP1 1 Vb VDD VDD p_33 w=2u l=2uMP2 2 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6uMP3 Vout 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6u MN1 1 1 0 0 n_33 w=1u l=2uMN2 3 1 0 0 n_33 w=2u l=2uMN3 2 Vin1 3 0 n_33 w=1.2u l=2uMN4 Vout Vout 3 0 n_33 w=1.2u l=2uCload 4 0 5.0e-12VDD VDD 0 DC=3.3V Vb Vb 0 DC=2.17VVin1 Vin1 0 .
7、DC Vin1 0 3.3 0.01 .op.print DC I(MN3).end3.2.3 测试结果由图可知，输入共模电压范围为1.01-3.08V，满足输入共模电压为1-3.1V这一性能要求。3.3 输出电压摆幅3.3.1 测试电路3.3.2 网表编写与测量输入共模电压范围类似，此时运放正负极均接直流电源，故应固定反向输入端电压值，使用.DC语句在同向输入端电压值从03.3V时对电路进行直流扫描分析，通过观察Vout幅值变化情况来确定输出摆幅。shuchu.lib c:CMOS_035_Spice_Model.lib ttMP1 1 VB VDD VDD p_33 w=2u l=2uMP
8、2 2 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6uMP3 Vout 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6u MN1 1 1 0 0 n_33 w=1u l=2uMN2 3 1 0 0 n_33 w=2u l=2uMN3 2 Vin1 3 0 n_33 w=1.2u l=2uMN4 Vout Vin2 3 0 n_33 w=1.2u l=2uCload 4 0 5.0e-12Vdd VDD 0 DC=3.3V Vb VB 0 DC=2.17V Vin Vin1 0 DC=0.9V Vgm Vin2 0 DC=0.9V.DC Vin 0 3.3 0.01 .op.e
9、nd3.3.3 测试结果由图可知，输出电压范围为0.304-3.03V，满足输出电压范围为0.3-3V这一性能要求。3.4 电压增益及带宽3.3.1 测试电路3.3.2 网表编写由原理图可知，运放同相输入端、反相输入端分别输入共模电压、共模电压和小信号，故同向输入端电压值固定为共模电压，反相输入端在共模电压基础上要加上小信号输入，同时要在输出口接电容以将交流分量分离出来。在这项测试中要使用.AC语句在输入小信号为幅值为0.1V的交流信号时对电路进行交流小信号分析，通过观察Vout幅值变化情况来确定增益和带宽。zengyi.lib c:CMOS_035_Spice_Model.lib ttMP1
10、 1 VB VDD VDD p_33 w=2u l=2uMP2 2 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6uMP3 Vout 2 VDD VDD p_33 w=0.6u l=0.6u MN1 1 1 0 0 n_33 w=1u l=2uMN2 3 1 0 0 n_33 w=2u l=2uMN3 2 Vin1 3 0 n_33 w=1.2u l=2uMN4 Vout Vin2 3 0 n_33 w=1.2u l=2uCload 4 0 5.0e-12Vdd VDD 0 DC=3.3V Vb VB 0 DC=2.17V Vcm Vin1 0 DC=1.5V Vin2 Vin1 Vi
11、n2 DC=0V AC=0.1V.AC DEC 10 0 1000MEG .op.end3.3.3 测试结果增益为35dB对应的放大倍数为56.2倍。由图可知，输出电压最大增益时幅值为5.64V满足增益要求，并且在输出复制下降到最大增益复制的0.707倍时，对应的带宽为17.2MHz，满足带宽至少为15MHz这一性能要求。4 设计总结和体会本次设计结果总体较为满意，达到了设计的要求，组员之间分工协调较好。本次设计中，我主要负责网表编写仪及仿真操作，我的工作份额为40%。这一部分工作主要要求对于软件的熟练使用。虽然编写的内容较为简单，输出的处理也不复杂，但是对于软件的摸索过程却十分艰辛，期间遇到
12、了不小的挑战。网表编写过程中我曾将0作为一个非地节点使用，并将同时将地节点电命名为GND，导致输出结果并不随元件参数发生变化。再之，我曾为了方便，将之前测试成功的一部分代码直接粘贴到新的.sp文件中，但疏忽大意使同一句话在网表中出现了两次，出现运行avanwave时提示没有data输入，或者仿真图形不随参数变化的情况。在仿真图形的处理过程中，我曾因不知道如何调整X轴为对数刻度而使得的输出的带宽无法判断。如上这些问题耗费了不少的时间和精力，不过对于我来时却是一次很好的锻炼，不仅使对所学理论知识进行了一次复习，使我掌握了HSpice的一些基本操作，更重要的是提高了我查找并解决问题的能力。因此，这次课程设计是很有价值的！5 致 谢感谢在此次课程设计中对我悉心指导的老师和学长。6 参 考 文 献1 刘刚，雷鑑铭，高俊雄，陈涛。科学出版社，微电子器件与IC设计基础；2 康华光，陈大钦，张林。高等教育出版社，模拟电子技术基础；3 钟文耀，郑美珠。科学出版社，CMOS电路模拟与设计基于HSpice；
