IC设计-电流型运算放大器.doc

IC课程设计报告题 目： 电流型运算放大器的设计 编 号： （10） 班 级： 学 号： 姓 名： 26 摘 要本文主要介绍了利用MOS管及基本器件搭建电流型运算放大器的整体设计流程，从原理分析到实际手工计算，同时对设计电路进行了详尽的仿真分析，并对主要的性能指标（直流工作点，增益带宽积，开环增益，静态电流）进行了系统化的分析和验证。文中详细说明了在设计过程中所遇到问题的解决方案，计算过程，软件使用及Hspice仿真代码的解释。关键词：电流型 运算放大器 直流工作点 增益带宽积 开环增益 静态电流 Hspice AbstractThis paper mainly introduced the use of MOS pipe and basic device set up current model of operational amplifier overall design process, from theory analysis to the actual manual calculation, and the circuit design for a detailed simulation analysis, and the main performance index (DC Operating Point , GBW， open-loop gain, static current) the systematic analysis and verification. This paper details in the design process of the solution of the problem, the calculation process, the software use and Hspice simulation code explanation.Key words: current model operational amplifier DC Operating Point GBW open-loop gain static current Hspcie目 录摘要.IIAbstractIII1课题背景及分析11.1课题内容与要求11.1.1课题内容11.1.2课程设计的统一要求21.2设计背景21.2.1背景调查21.2.2 基础原理31.2.2输出特性曲线：41.3合作与分工42 设计过程52.1电路设计52.1.1结构模型52.1.1整体规划62.2电路设计82.2.1电路图如下图所示82.2.2 元件参数设置82.2.3 输入电阻的确定112.2.4输出电阻Ro的确定122.2.5反馈电阻Rf和源电阻Rs的确定142.2.6参数列表152.3 结果指标计算与验证152.3.1开环增益大于65dB欧姆162.3.2带宽大于5MHz162.3.2转换速率大于60V/us162.3.3静态电流小于1.5mA162.4 参数调整173仿真过程183.1原始数据初次仿真结果183.2参数调整及计算194设计结果讨论与分析224.1设计指标、计算结果、仿真结果对比225实验心得与体会246参考文献26 1 课题背景及分析1.1 课题内容与要求1.1.1 课题内容题目10：电流型运算放大器的设计电流型运算放大器是一种对电流信号进行放大的电路，相对于电压型运算放大器，它具有更快的速度和更大的输入噪声。本题目的要求是设计一款电流型运算放大器，在5V电源电压条件下，其性能尽可能满足如下指标：1. 开环增益大于65dB欧姆；2. 带宽大于5MHz；3. 转换速率大于60V/us；4. 静态电流小于1.5mA。设计要求如下：1. 设计合适的电路架构，完成器件尺寸的设计与计算；2. 计算输出电阻电容值；3. 通过Hspice仿真软件对设计进行验证；4. 如果有部分参数指标不能达到要求，请说明原因，并提出、验证更优方案。1.1.2 课程设计的统一要求2.1课程设计报告的模板为华中科技大学本科毕业设计论文模板。必须包括：中文摘要、关键词、Abstract、Key Words、目录、正文、致谢、参考文献。可以将部分代码或者网表放在论文的附录中。 2.2正文一般要求：题目的理解和介绍，理论推导和计算，仿真和研制结果，结论。另外加上一章心得体会，给出课程设计中的酸甜苦辣和心得体会，以及个人在该项目组中承担的工作、工作量百分比。 2.3 对于数字IC的题目，正文应包括：题目要求及理解、系统设计（得到系统框图和各模块的设计规格）、模块设计（要求、过程、仿真、仿真结果分析）、整体电路仿真和综合、源代码和注释、结论及讨论、心得体会。 2.4对于模拟IC的题目，正文应包括：题目要求及理解、系统设计、模块设计（电路结构、电路参数的手工推导、电路指标的手工验证）、电路仿真（含模块仿真和系统仿真，包括仿真电路图、带注释的仿真网表、仿真波形及分析）、结论及讨论、心得体会。 2.5强烈要求有组内分工，并从课程设计报告中得到体现。个人完成的工作详写，组内其他人完成的工作略写。完全相同或稍有区别的论文分数不会很高。1.2 设计背景1.2.1 背景调查电流型运算放大器具有负输入端低阻、驱动能力强、电压摆率高、工作带宽宽等特点，主要用于视频信号处理、HDTV系统，以及驱动A/D、D/A转换器等，具有驱动能力强、工作频率高、工作频带宽等特点。电流型运算放大器是一种较新的运算放大器结构。随着电子技术的高速发展，运算放大器在电压型结构的基础上发展出差分结构和电流型结构。由于电压运算放大器受信号传递方式的限制，在工作速度和频率方面不能满足高速系统的需求。采用电流模技术设计和制造的电流型运算放大器在工作速度、精度、带宽和线性度方面均获得很高性能。电压运算放大器输出电压与同相输入端和反相输入端电位差有关，动态特性受增益带宽积与转换速率影响。电流型运放以电流为输入信号，电压为输出信号，强调电流模运算，寄生节点电容影响小速率快。1.2.2 基础原理本次设计主要采用MOS管搭建基础电路，故有必要在设计前，对单管的设计参数进行一定的计算分析，这样既可以更加灵活的掌握MOS管的特性，又可以积极有效的应用各项参数：2.1单管的主要参数：开启电压VT:VT是增强型MOS管的参数。当DS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅源间的电压。（本次设计电路所用到的均为增强型MOS管）输出电阻ro：ro= 【此公式第二个等号之后仅适用NMOS】夹断电压VP:VP是耗尽型MOS管的参数。当DS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅源间的电压。（本次设计未用到耗尽型MOS管）低频互导gm:gm=2Kn(-)= 【=】2.2Sah-萨支唐方程：对于NMOS饱和区： 【考虑了沟长调制效应】对于PMOS饱和区1.2.2 输出特性曲线： （1）增强型输出特性曲线尤其应该注意的是MOS管的工作范围，我们要求的是让MOS管工作在饱和区，即。我们需要的即是这个工作范围。1.3 合作与分工电路设计与计算过程：XXX电路仿真过程：XXX参数调整与确定：XXX2 设计过程2.1 电路设计2.1.1 结构模型1.理想结构模型理想电流型运放结构模型2 输入输出级相关知识 输出级设计电路：输出结构一般情况下，输出采用共漏输出级，如上图所示。输入结构 这是一个互补的输入结构，它由一个PMOS管和一个CMOS管组成，这样互补的结构有利于提高整个电路的性能2.1.1 整体规划1 闭环增益假设：1、 B设定在10左右2、 B*RfRiB*RsRi3、 RoRfRs上图为闭环模型的等效电路，我们可以得出：由此可以得出：上式化简为：则可以求出低频增益为：2 输出阻抗将输入接地（输入为电压源，电压源短路），因此可以近似列出下式：得到：这样闭环的带宽就是：2.2 电路设计2.2.1 电路图如下图所示2.2.2 元件参数设置1确定电流由于转换速率：本次实验要求的是SR65V/us，设CL=10pF，所以输出电流（即最右边的四个管子）Io650uA，设定为800uA设定IBA、IBB为100uA，则电路图右半部分已经消耗1000uA题目要求静态电流IQ1.5mA，IBRiB*RsRiRoRfRsB=8，则可以确定Ri、Ro的值。由于：8Rf1k8Rs1k50.9MRfRs又因为：课设题目要求增益大于65dB，也就是1778我们设置Rs=1k，Rf=2.5M2.2.6参数列表到此，所有电路中所需的参数和数据都已经计算出来了，初步计算的参数设置表如下MOUS管参数设定:MN1MN2MN3MN4MN5MN6L(um)111111W(um)10.441.741.741.783.383.3MP1MP2MP3MP4MP5MP6L(um)111111W(um)34.7138.8138.8138.8277.8277.8Kn =120 Kp=36 其他参数设定： Rf=2.5k Rs=1k IB=100uA IBA=IBB=100uAVDD=5V CL=10pFRin=1k Rout=50.9MIo=800uA2.3 结果指标计算与验证21.11.21.31.42.3.1 开环增益大于65dB欧姆低频增益为由RfRs=250065dB符合要求2.3.2 带宽大于5MHzRout=VoIo=1B*RsRf(Rs+Ri)+1Ro+1Rf=18*1k2.5M*(1k+1K)+150.9M+12.5M=495.1k BW=12*pi*Rout*CL=12*pi*495.1k*10pF=32.1kHz增益等于5000,所以增益带宽积为45.83MHZ5MHZ 符合要求2.3.2 转换速率大于60V/us =800uA10pf=80V/us 符合要求2.3.3 静态电流小于1.5mA静态电流IQ=2IB+IBA+IBB+Io=200uA+100uA+100uA+800uA=1.2mA1778(65dB)5MHz60V/us 1.5mA计算结果5000(73.9)45.83MHz701.1mA仿真结果3560(70.8)40.25MHz1245V/us1.01m4从以上的结果对比中可以看到,计算结果以及最后仿真的结果都是满足题目要求的,基本相差不大，并且与题目所需要的条件之间有一定的宽裕量,完全符合题目要求。同时，在仿真的过程中发现mp1和mp6对管子的影响很大很大，些微改变就对放大倍速有很大的影响，而转换速率，对于一个电路，当连接好器件之后基本没有任何变化，如本电路一直是124.5v/us。但是,与实际上的仿真结果之间有着不小的差别,经过讨论分析,有这两大原因:1: 在进行单管分析时,对于很多小电流,以及边缘效应都忽略了它们对管子的性能的影响,但是当很多管子级联时(如题有6管子连接)，管子之间这种细小的误差都会被放大，例如将mp1的宽度设置由34.7u变为36u时，有如下仿真放大倍速输出比输入的值只为原来的1%，这个值的改变很巨大，同样对mp6的值做改变，也有很大的变化，这是因为改变了管子的工作区间（在后面级单管影响小，不可能会如此影响），同时，对于很多参数进行计算时，并不是严格的的等号，而是取的近似值，本身就会有着一定的误差，如对增益进行计算时候，近似为了RF/Rs，就会产生误差。2：对于管子，在不同条件下，很多参数会发生变化，当连接在一起的时候，就会互相影响，而不是计算时候的不变值，这也会产生一定的误差，例如在单管仿真的时候，给定不同的电流，管子的沟道调制参数会自动发生些微的变化。5 实验心得与体会本次IC课程设计终于结束，此次课设由我和XX同学共同完成，我负责了所有的设计以及参数计算部分，参数修改过程是共同完成的，这次课设毫无例外又让我学到好多东西，不仅是关于学术的，还有合作方面的。大二下我们学习过模拟电子技术基础和微电子器件与IC设计基础这两门课程的理论知识了，但是对于实践方面的知识一无所知。因为有这门课程设计，我们学会并学着将理论知识与实践相结合起来。在这次课程设计中，我觉得很重要的一点就是在时间安排，计划分工，团结合作。记得刚开始分配到课题的时候基本上什么都不懂，只知道自己负责的大概是电流型运放的方向，但是具体的却不知道如何下手，不知道从哪个点切入。在网上搜了很多资料，由于电流型运放是一种较新的运算放大器结构，所以搜到的资料是有限的同时也是宝贵的。我们查找找到的更多是电压型运放的相关资料，这样就更显示出电流型运放的新颖性和必要性了，我们不断地通过对比分析明白了两种运放的区别和联系，这样有助于我们以后的设计与计算仿真。关于设计电路这块，其实刚开始发现网上查找到的资料是有限的，并且其中大部分的CMOS电路包括很多块，输入缓冲级、反相输入端、中间电流镜、输出缓冲、电路补偿等等的，这种电路复杂全面并且实用性强但是不适合做课设研究，所以关于在看了很多辅导书和资料之后我们自己设计了一个电路，但是由于自身水平有限，导致在后面的计算与仿真过程中出现了一些错误，很多参数无法满足性能指标，最终权衡考虑，还是决定采用老师给的模板电路，根据要求重新计算调整所有的参数以及数据。所以，电路的确定让我们发现关于IC关于CMOS我们学到的很少，IC知识的海洋浩瀚无比，还有很多方面等着我们去学习开发。真的，这是本次课设给我最深的感触之一。确定了电路之后就顺利多了，参数计算、数据确定运用的公式推导比较多，虽然琐碎复杂但都没出现大的问题。这一板块是我负责的，它主要就是一些模电和IC知识的应用，但是涵盖的内容有点多，需要认真谨慎，总的来说就是深入浅出，深入每个原理每个内容，用最简洁的方式计算显示出来。中间印象最深的是参数的调整方面。同组队员根据我算的数据进行了仿真，但是发现仿真结果与初步计算的数据相差较大，于是我们又对参数进行了适当的改进，调整了Rf和MOS管MP6的值，第二次仿真便满足了要求。我觉得非常不解，为什么两者的部分指标相差实在太远，然后我们对其中参数计算与仿真结果不一致的原因进行了讨论探讨。询问过助教和同学，才明白其实各种公式本身都带有误差，在多各项相乘后手工计算的结果就偏差很大，再加上电脑和人工完全不同的计算方式，使得结果出现预料不到的