集成电路论文

1、湖南大学集成电路课程设计 第7页引言集成电路可分为数字和模拟两大类。模拟集成电路用于模拟信号的产生和处理，其种类繁多，包括集成运算放大器、集成模拟乘法器、集成锁相环、集成功率放大器、集成稳压电源、集成宽带放大器、集成数模和模数转换电路等。运放是运算放大器的简称。在实际电路中，运放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”，此名称一直延续至今。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，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当

2、中。集成运放是技术功能的通用性最大、应用最广泛、以展最快、品种与数量最多的一种线性集成电路。集成运放裨上是一种高增益直流放大、直流放大器既能放大变化极其缓慢的直流信号，下限频率可到零；又能放大交流信号，上限频率与普通放大器一样，受限于电路中的电容或电感等电抗性元器件。集成运放和外部反馈网络相配置后，能够在它的输出和输入之间建立起种种特定的函数关系，故而称它为“运算”放大器。集成运算放大器的主要特点有以下几个：增益高（可达60180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，

3、负两种极性信号的输入和输出。模拟集成电路一般是由一块厚约0.20.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。其主要参数有很多，例如，电压增益，单位增益带宽相位裕度以及共模抑制比，这些主要参数决定运放的性能；电压增益：电压增益表示的是放大电路对输入信号的放大能力，使用的表示方法是分贝表示法，其定义为：Gu20lg（Uo/Ui）20lgAu

4、，增益的单位是分贝，用符号dB表示。单位增益带宽：增益带宽积(GBW)增益带宽积AOL 是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。相位裕度：相位裕量是分析运算放大器稳定性的一个重要参数，相位裕量是指运算放大器开环增益为0dB时的相位与180 ° 的差值。共模抑制比：定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，是为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量。基本要求在st02工艺库中完成一下指标运算放大器的设计。电源电压,负载电容，电压增益,单位带宽带宽,相位裕度，

5、共模抑制比，最终实现单端输出。St02工艺库中的的一些参数如下：，。（工作电流根据自己需要设定），提示：考虑是否需要做频率补偿运放闭环才能稳定工作。加分项1）、做完运放后可以利用所做运放构成一个模拟加法器，所做加法器应在cadence中仿真验证加法器的功能正确与否。该项可做可不做，做者可加分。2）、做完后可尝试画反相器的版图，熟悉版图软件后，进一步画运算放大器的版图。该项可做可不做，做者可加分。设计思路普通一级运放输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积，因此，一级运放达不到规定的增益要求，在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。为了缓解

6、这种矛盾引进了两级运放，在两级运放中将这两点各在不同级实现，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。首先可以假设，放大器的工作电流为40uA，若给定20uA的电流，设M2管的由于需要40uA的电流，故M1的，由和可求出,接着可求出，再由可确定。2.经过第一步后得到的管子参数，进行仿真时发现M0完全线性化了，所以要针对线性化的M0管进行参数调整。由工作在线性区的电流可知，当和都不变时，若要增大，则需减小。所以接下来减小M0管的宽长比。当M0管的宽长比减小到时，仿真结果即达到所需要的指标。电路图本设计要完成的电路如图（1）所示。该运放采用两级结构，第一

7、级是差分对输入镜像电流源作负载，第二级是共源输入，电流源负载。由于两级结构至少有两个极点，相 位偏移达到至少 180°，因此用密勒电容进行补偿，同时为增大相位裕度，在密勒电容 前串接一个电阻，此处用 MOS 管实现，来引入一个零点，增大相位裕度。偏置电路采 用微电流源，或恒 Gm 偏置，使偏置不受电源的影响。本设计电源电压采用 5V，负载 电容 3pF。其中，电源电压Vdd与Vss之间电压差为5v，可以将Vss换成接地，在Vdd与地电位间接vdc=5V的直流偏置电压源，acm=1的电压源偏置与vdc=1.6v的电压源偏置串联接入Vin1端，另外vdc=1.6v的电压源偏置独自接入Vi

8、n2端；仿真结果实验总结与问题思考1、单位增益带宽与功耗、相位裕度和转换速率之间存在折衷关系。取较小的相位补偿电容，有利于增大带宽，但补偿电容不能取得太小，因为我们的整个推导都建立在补偿电容远大于寄生电容的基础上。在相位补偿电容值恒定，过载电压取值恒定的情况下，增大带宽意味着增大第一级的静态电流，而这会减小相位裕度， 为保证相位裕度，需要将第二极点向外推，这意味着增大第二级的静态电流，于是功耗必然增大。 功耗不变的情况下，增大带宽仍然需要增大第一级的静态电流，这意味着减小第二级的静态电流，这必然导致相位裕度的减小，转换速率的减小。因此在功耗不变的情况 下，我们必须在单位增益带宽，相位裕度，转换

9、速率之间作出一个折衷的选择。本设计所得到的约束条件，可以在选定过载电压，补偿电容值的情况下，获得最大的单位增益带宽。2、电路结构决定了开环直流增益、共模抑制比、电源抑制比 通过理论分析，可以得知在选定过载电压的情况下，开环直流增益、共模抑制比、 电源抑制比就可以确定，所以由电路结构决定，这三者只取决于过载电压，他们的值只在小范围内浮动。3、输入信号会影响 M5 漏极电压，并通过栅漏寄生电容耦合到 M5 在瞬态分析中，当在输入端加 1V 阶越信号时，加与不加 10pF 稳压 电容的 M5 栅极电压对比。可以看到不加稳压电容时，M5 栅极电压的改变接近 0.2V， 这意味着 M5 几乎进入截止区，

10、这与我们对转换速率分析的假设是完全不相符的，实际 上此时仿真出的转换速率非常小。而加 10pF 稳压电容后，电压改变只有 0.02V，基本不 影响静态电流，此时仿真出的转换速率与计算非常接近。M5还有展宽带宽的作用，仿真显示出带宽增大8MHz, 此时的带宽与计算完全相符， 相位裕度相应的减小 5°。相信加入稳压电容使电路工作与理论计算更加吻合，因为这 个电容减小了信号通路与供电通路的耦合。 M5 栅极电压的变化也是非线性的一个来源，所以加入稳压电容也会使线性度提高总结 通过这次课程设计知道了理论与实际的差别，在理论上可以运行的东西到实际时要考虑的东西有很多，实际应用的东西并不理想.而在实际设计其实是一个通过设计来使得设计能够满足所需要