二级运算放大电路版图设计

目录 1 前言 1 2 二级运算放大器电路 1 2 1 电路结构 1 2 2 设计指标 2 3 Cadence 仿真软件 3 3 1 schematic 原理图绘制 3 3 2 生成测试电路 3 3 3 电路的仿真与分析 4 3 1 1 直流仿真 4 3 1 2 交流仿真 4 3 4 版图绘制5 3 4 1 差分对版图设计 6 3 4 2 电流源版图设计 7 3 4 3 负载 MOS 管版图设计 7 3 5 DRC LVS 版图验证 8 3 5 1 DRC 验证 8 3 5 2 LVS 验证 8 4 结论 9 5 参考文献 9 摘要 本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计 以传统的二级 运算放大器为例 在ADE电路仿真中实现0 16umCMOS工艺 输入直流电源为5v 直流电 流源范围27 50uA 根据电路知识 设置各个MOS管合适的宽长比 调节弥勒电容的大小 进入stectre仿真使运放增益达到40db 截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60 版图 设计要求DRC验证0错误 LVS验证使电路图与提取的版图相匹配 观看输出报告 要求 验证比对结果一一对应 关键词 cadence仿真 设计指标 版图验证 Abstract In this paper the circuit simulation and layout design of two stage operational amplifier are briefly described by using cadence software In the traditional two stage operational amplifier as an example the realization of 0 16umCMOS technology in ADE circuit simulation the input DC power supply 5V DC current source 27 50uA according to the circuit knowledge set up each MOS tube suitable ratio of width and length the size of the capacitor into the regulation of Maitreya the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB the cut off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60 The layout design requires DRC to verify 0 errors and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout viewing the output report and requiring verification to verify the comparison results one by one Key words cadence simulation design index layout verification 0 1前言 近几年来 人们已投入很大力量研究版图设计自动化 计算机辅助设计方法学在给 定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功 希望用以代替设计师的 一部分劳动 但这并不适用于模拟电路设计 较复杂的场合 有些程序的应用遇到了阻 力 需要人工干预帮助解决问题 因此 仔细研究模拟电路的设计过程 熟悉那些提高 设计效率 增加设计成功机会的原则是非常必要的 人工设计得到的器件版图密度一般 高于用自动化版图设计和布线程序所得到的密度 因而人机交互式版图设计和布线程序 得到了广泛的应用 我们这次做的仅是基本方法 对于比较复杂的电路版图设计则不仅 需要很多诸如图论在内的数据结构算法的知识应用 而且多年的电路版图设计经验也同 样是非常重要的 2二级运算放大器电路 运算放大器 简称运放 是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分 各种 不同复杂程度的运放被用来实现各种功能 从直流偏置的产生到高速放大或滤波 运算 放大器的设计可以分为两个较为独立的两个步骤 第一步是选择或搭建运放的基本结构 绘出电路结构草图 一般来说 决定好了电路结构以后 便不会更改了 除非有些性能 要求必须通过改变电路结构来实现 为了满足运放的交流和直流要求 所有管子都应被 设计出合适的尺寸 然后在手工计算的基础上 运用计算机模拟电路可以极大的方便对 电路进行调试和修改 2 1 电路结构 传统的二级运算放大电路的结构主要包括四部分 第一级输入级放大电路 第二级 放大电路 偏置电路和相位补偿电路 电路图如图 2 1 所示 1 图 2 1 二级运算放大器电路 2 2 设计指标 表 1 1 二级运算放大器设计指标 1 电压放大倍数 二级运算放大器相比于共源共栅运放最大的优势就是既能提供高增益 又能提供打 的摆幅 根据电路知识 我们可求得第一级和第二级增益 而电路的整体增益是两部分 增益相乘的结果 由此可知 二级运算放大器可以提供高的增益 2 766 6 76 6 2 425 1 42 1 1 I g gg g A I g gg g A m dsds m V m dsds m V 第二级增益 第一级增益 2 单位增益带宽 GWB 单位增益带宽是指运放增益为 1 时 电路所输入信号的频率 这是电路所能正常工 作的最大频率 它是运放重要的指标之一 其中角频率的表示方法如下 Cc GB m1g 单位增益带宽 3 相位裕度 电路有至少四个极点和两个零点 假定 z2 p3 p4 以及其它寄生极点都远大于 GBW 若不考虑零点 z1 仅考虑第二极点 p2 那么这是一个典型的两极点决定的系统 为保证系统稳定 通常要求有 63 左右的相位裕度 即保持频率阶跃响应的最大平坦度 以及较短的时间响应 但在考虑 z1 之后 这个右半平面 RHP 的零点在相位域上相 当于左半平面 LHP 的极点 所以相位裕度会得到恶化 同时如果为了将两个极点分 离程度增大 则补偿电容 Cc 就要增大 这也会使得零点减小 进一步牺牲相位裕度 4 最终设计参数 m1 pmosw 32ul 1 6u m2 pmosw 32ul 1 6u m3 nmosw 4ul 1 6u m4 nmosw 4ul 1 6u m5 pmosw 32ul 1 6u m6 pmosw 32ul 1 6u m7 pmosw 20ul 1 6u m8 nmosw 8ul 1 6u C 0 15PF R1 0 1k 直流电源 5v 交流电压源 1v 静态电压源 2 5v 直流电流源 35uA 电源电压运放增益运放单位增益带宽运放相位裕度 5v40dB100MHz60 2 3 cadence 软件仿真 3 1 schematic 原理图绘制 根据上述设计好的指标 在 schemetic 中绘制电路图 其中一点值得注意的是这里所 用到的 MOS 管宽长都比较大 所以采用将各个管拆分成多个管并联的方式进行电路图绘 制 这样还能减少栅极上的寄生电阻 电路图检测没有错误后 然后生成符号 如图 3 2 所示 图 3 1 二级运算放大电路 schematic 原理图 图 3 2 二级运算放大器生成符号 3 2 生成测试电路 仿真的电路图连接方式有两种 一种是利用上述电路检查并保存后建立 symbol 模型 在此模型的基础上进行直流电源 直流电流源以及交流源的连接如图 另一种可以直接 在电路图的基础上添加激励源然后进行仿真 两种连接方式如下图 图 3 3 二级运算放大电路生成测试图 1 图 3 4 二级运算放大电路生成测 2 3 3 3 电路的仿真与分析 对于模拟设计环境 ADE 来说 默认的仿真器是 spectre 这里直接采用 spectre 对 设计进行仿真和分析 3 3 1 直流仿真 为了让运放正常工作 保证 8 个 MOS 管工作饱和区 要求 同VTHVGSVDS 时过驱动电压不能太大 否则沟道长度调制效应明显 而且输出摆幅受到限制 其仿真 报告如下 图 3 5 直流仿真 图 3 6 仿真报告 通过一一验证检查 报告结果显示 8 个管子均处于饱和状态 这说明二级运算放大 器可以正常放大工作 在此基础上接下来可以进行交流仿真的工作 3 3 2 交流仿真 根据增益的基本公式 要想观察二级运放的增益特性曲线 我们可以使输 in out v V V A 入交流电压为 1V 通过交流仿真得到输出电压与频率的关系曲线 那么该曲线就是我们 想 要的增益特性曲线 图像如图所示 图 3 7 为二级运算放大器的增益仿真 运放增益达到 40db 截止频率接近 80MHz 这一结果符合题目要求 图 3 8 为二级运算放大器的相位仿真 通常相位裕度达到 60 度 时 电路比较稳定 由于各种原因 本次实验结果中显示在频率接近 80MHz 相位并未 4 达到 60 度 图 3 7 增益仿真 图 3 8 相位仿真 3 4 版图绘制 在二级运算放大器中 我们要求输出差分对管 m1 和 m2 对称 电流源 m5 m6 和 m7 对称 有源负载 m3 和 m4 对称 其中的电阻和电容不要求对称性 而且对电容的上 下极板的接法没有要求 图 3 9 是二级运算放大器的整体版图设计 因为考虑到 LVS 验 证并不比对各个 MOS 管的宽长比 所以本次版图每个 MOS 管的宽长比并没有与电路图 MOS 管一一对应 本次版图设计我们主要考虑的是 MOS 管的对称性 所以对各个部分 的 MOS 管的对称问题上进行了详细的说明 5 图 3 9 二级运算放大器版图绘制 3 4 1 差分对版图设计 设计规则 1 为了保证差分对管 m1 和 m2 的对称性 采用共质心设计将 m1 拆分成 m1a 和 m1b 将 m2 拆分成 m2a 和 m2b 交叉放置 2 如果输入管宽长比较大 将 m1a m1b m2a 和 m2b 管拆分成多个管并联的方式 还能减少栅极上的寄生电阻 3 差分对管 m1 和 m2 为 PMOS 管 为保证两个管良好的对称性 最后在周围布上一 圈 N 阱接触 4 为提高差分对管 m1 和 m2 结构的匹配性 差分对管端的连线尽量在 m1 和 m2 之间 通过 5 为了保证运算放大器的对称性 运算放大器中所有晶体管的栅极都要朝着同一个方 向 6 输入引线一定要尽量短 而且尽量用最上级层金属设计 且输入输出引线尽量远离 6 尽量不要交叉 图 3 10 差分对版图设计 3 4 2 电流源版图设计 二级运放电器的电流源由 m5 m6 和去 m7 构成 由于一般电流源要求几个 MOS 管 之间的对称 因此一般采用叉指结构实现 假设电流源 m6 m5 和去 m7 的宽长的比例 为 1 2 4 将 3 个 MOS 拆分 也是重点考虑 m5 和 m7 管的对称性的高优先级 将 m5 和 m7 管利用叉指结构方式设计 属于高度对称版图设计 为了保证运算放大器的对称性 运算放大器中所有晶体管的栅极都要朝着同一个方向 输入引线一定要尽量短 而且尽量用最上级层金属设计 且输入输出引线尽量远离尽 量不要交叉 图 3 11 二级运放电器的电流源 7 3 4 3 负载 MOS 管版图设计 该运算放大器的负载 MOS 管由 m3 和 m4 构成 为电流镜结构 为保证运算放大器的 对称性 负载 MOS 管一定要采取输入差分对管结构一致的共质心对称结构 采用共质心 设计将 m3 拆分成 m3a 和 m3b 将 m4 拆分成 m4a 和 m4b 交叉放置 图 3 12 负载 MOS 管版图设计 3 5 DRC LVS 版图验证 3 5 1 DRC 验证 为了熟悉 MOS 管的具体结构 本次的版图均是手绘 没有采用 pdk 的方式进行直接 调用 所以在手绘过程中 每完成一部都要进行 DRC 检查 通过验证报告 可以知道所 涉及的图形尺寸 宽度 间距及层与层之间的相对位置是否符合预定的设计规则 避免 错误积累 8 图 3 13 DRC 验证 图 3 14 DRC 验证报告 0 错误 3 5 2 LVS 验证 LVS 验证的是版图的提取与电路原理图之间的比对情况 因此这两个文件一定要具 备 在任何细节上都不能有差错 其中在提取的时候需要注意两个问题 一是引脚 pin 的 类型 电源 电流源和地属于 inputoutput 类型 输入类型是 input 输出类型是 output 二是还有字母大小写问题 两者要么都是大写 要么都是小写 一定要与电路图一一对 应 只要有一项不对应 LVS 验证就不会成功 图 3 15 LVS 验证 图 3 16 LVS 验证报告比对结果 4 结论 1 本次设计的基本要