cmos运算放大器的分析及设计毕业设计论文.doc

1、兰州交通大学毕业设计（论文）I摘 要随着集成电路工艺的发展，CMOS电路由于其低成本、低功耗以及速度的不断提高，在集成电路中获得越来越广泛的应用。CMOS运算放大器也因其独特的性能优势常被用于模拟集成系统或子系统中，它的性能的好坏直接决定了整个模拟集成系统性能的好坏。因此，有必要对用CMOS运算放大器进行深入的学习和研究。 CMOS运算放大器作为模拟集成电路最重要的功能模块，其设计一般包括以下几个步骤：确定设计要求；设计或综合；仿真；几何版图设计；版图后仿真；流片；测试。本论文主要对两级CMOS运算放大器进行了前端设计及仿真。论文在确定了两级CMOS运放设计规范要求的基础上，设计了两级CMOS

2、运算放大器的基本电路结构，分析了各组成模块的电路功能，通过分析性能参数与MOS管几何参数的关系，得到了电路中各MOS管的宽长比。论文在介绍仿真环境 OrCAD的结构特点及其工作性能的基础上，对所设计的电路进行了PSpice软件仿真，得到了设计电路的直流工作点、瞬态以及频率特性的仿真结果。仿真结果分析表明所设计的电路符合预期的设计要求和设计指标，也验证了设计的两级CMOS运算放大器的可靠性和可行性。关键词：CMOS；运算放大器；PSpice仿真；小信号放大；频率响应兰州交通大学毕业设计（论文）IIAbstractWith the development of CMOS technique, CM

3、OS integrated circuits have become the mainstream of integrated circuits techniques, due to its low cost, low power consumption and continuously improved speed. As the CMOS process has good performance merits, therefore the operational amplifier combined with CMOS technique has been widely used beca

4、use of its unique performance.As the most important functional module in analog integrated circuits, the design of CMOS operational amplifier includes several steps as follows: determination design requirements, design or synthesis, simulation, design geometric layout, post-layout simulation, tape-o

5、ut and test. The formal steps of the design of the two-stage CMOS operational amplifiers was provided in this paper, and the basic circuit structures of the two-stage CMOS operational amplifier was introduced. Based on determining the op-amp design specifications, the relationship between performanc

6、e parameters and transistor geometry parameters was analyzed and the ratio of the transistors width to length was calculated. As a kind of simulation tool, the structural characteristics and work performance of OrCAD was described in detail. The feasibility of the design was determined by using PSpi

7、ce simulation. Analysis of bias point, transient and the frequency characteristics of the circuit have been completed in this paper, and the simulation results showed that the designed circuit meets the design requirements and targets, also design the reliability and feasibility of the two-stage CMO

8、S operational amplifier has been comfired.Key words: CMOS；Operational amplifier；Pspice simulation；Small signal amplification； Frequency response兰州交通大学毕业设计（论文）1毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使

9、用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 兰州交通大学毕业设计（论文）2学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研

10、究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月

11、 日兰州交通大学毕业设计（论文）3目录摘 要 .IAbstract .II1.绪论 .11.1 运算放大器 .11.1.1 运算放大器概述 .11.1.2 运算放大器发展历史 .11.1.3 运算放大器原理与类型 .21.2 CMOS 集成工艺 .41.3 论文选题的意义 .42.两级 CMOS 运算放大器的设计 .62.1 两级 CMOS 运算放大器的组成模块选择原则 .62.1.1 第一级放大模块 .72.1.2 第二级放大模块级输出模块 .82.1.3 偏置及补偿模块 .102.2 两级 CMOS 运放电路 .102.2.1 两级 CMOS 运放的电路结构 .112.2.2 两级 CMO

12、S 运放的工作原理 .122.3 两级 CMOS 运放的参数计算 .122.3.1 设计标准及参数 .132.3.2 工艺参数的计算 .132.4 小结 .193.两级 CMOS 运算放大器的电路仿真 .203.1 仿真环境 OrCAD .203.2 直流工作点分析 .233.3 瞬态特性分析 .283.4 频率特性分析 .323.5 小结 .344 电路的优化设计 .354.1 频带宽度优化 .354.2 输出端最大值优化 .38结论及展望 .41致谢 .42参考文献 .43兰州交通大学毕业设计（论文）11. 绪论1.1 运算放大器1.1.1 运算放大器概述运 算 放 大 器 1（ 常 简

13、称 为 运 放 ） 是 具 有 很 高 放 大 倍 数 的 电 路 单 元 。 在 实 际 电 路中 ， 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 用 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

14、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 中 。集成电路一般分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，两类电路的设计方法不尽相同。近年来，随着SOC 的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用，并且其相关技术飞速发展。1.1.2 运算放大器发展历史第 一 个 使 用 真 空 管 设 计 的 放 大 器 大 约 在 1930年 前 后 完 成 ， 运 算 放 大 器 最 早 被设 计 出 来 的 目 的 是 将 电 压 类 比 成 数 字 ， 用 来 进 行 加 、 减 、 乘 、 除 的 运 算 ， 同 时 也

15、 成为 实 现 模 拟 计 算 机 的 基 本 建 构 方 块 。 然 而 ， 理 想 运 算 放 大 器 的 在 电 路 系 统 设 计 上 的用 途 却 远 超 过 加 减 乘 除 的 计 算 。 今 日 的 运 算 放 大 器 ， 无 论 是 使 用 晶 体 管（transistor）或真空管（ vacuum tube）、分立式（discrete）元件或 集 成 电 路（integrated circuits）元件，运 算 放 大 器 的 效 能 都 已 经 逐 渐 接 近 理 想 运 算 放 大 器 的 要求 。 早 期 的 运 算 放 大 器 是 使 用 真 空 管 设 计 ， 现

16、在 则 多 半 是 集 成 电 路 式 的 元 件 。 但 是如 果 系 统 对 于 放 大 器 的 需 求 超 出 集 成 电 路 放 大 器 的 需 求 时 ， 常 常 会 利 用 分 立 式 元 件来 实 现 这 些 特 殊 规 格 的 运 算 放 大 器 。1960 年代晚期，仙童半导体推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为A709。但是 709 很快地被随后而来的新产品 A741 取 代 ， 741 有 着 更 好 的 性 能 ， 更为 稳 定 ， 也 更 容 易 使 用 。兰州交通大学毕业设计（论文）2运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电

17、路中，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中。1.1.3 运算放大器原理与类型（一）原理运 放 如 图 1-1 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 2。 当 电 压

18、加 U-加在 a 端和 公 共 端 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 。 电 压 的 正 负 极 性 应 另外 标 出 或 用 箭 头 表 示 。图 1.1 运算放大器一 般 可 将 运 放 简 单

19、 地 视 为 ： 具 有 一 个 信 号 输 出 端 口 （ Out） 和 同 相 、 反 相 两 个高 阻 抗 输 入 端 的 高 增 益 直 接 耦 合 电 压 放 大 单 元 ， 因 此 可 采 用 运 放 制 作 同 相 、 反 相 及差 分 放 大 器 。兰州交通大学毕业设计（论文）3运 放 的 供 电 方 式 分 双 电 源 供 电 与 单 电 源 供 电 两 种 。 对 于 双 电 源 供 电 运 放 ， 其 输出 可 在 零 电 压 两 侧 变 化 ， 在 差 动 输 入 电 压 为 零 时 输 出 也 可 置 零 。 采 用 单 电 源 供 电 的运 放 ， 输 出 在 电

20、源 与 地 之 间 的 某 一 范 围 变 化 。运 放 的 输 入 电 位 通 常 要 求 高 于 负 电 源 某 一 数 值 ， 而 低 于 正 电 源 某 一 数 值 。 经 过特 殊 设 计 的 运 放 可 以 允 许 输 入 电 位 在 从 负 电 源 到 正 电 源 的 整 个 区 间 变 化 ， 甚 至 稍 微高 于 正 电 源 或 稍 微 低 于 负 电 源 也 被 允 许 。（ 二 ） 类 型按 照 集 成 运 算 放 大 器 的 参 数 来 分 ， 集 成 运 算 放 大 器 可 分 为 如 下 几 类 。1、 通 用 型 运 算 放 大 器通 用 型 运 算 放 大 器

21、就 是 以 通 用 为 目 的 而 设 计 的 。 这 类 器 件 的 主 要 特 点 是 价 格 低廉 、 产 品 量 大 面 广 ， 其 性 能 指 标 能 适 合 于 一 般 性 使 用 。 例 A741（ 单 运 放 ） 、LM358（ 双 运 放 ） 、 LM324（ 四 运 放 ） 及 以 场 效 应 管 为 输 入 级 的 LF356 都 属 于 此种 。 它 们 是 目 前 应 用 最 为 广 泛 的 集 成 运 算 放 大 器 。2、 高 阻 型 运 算 放 大 器这 类 集 成 运 算 放 大 器 的 特 点 是 差 模 输 入 阻 抗 非 常 高 ， 输 入 偏 置 电

22、流 非 常 小 ，一 般 rid 1G1T。 实 现 这 些 指 标 的 主 要 措 施 是 利 用 场 效 应 管 高 输 入 阻 抗 的 特 点 ，用 场 效 应 管 组 成 运 算 放 大 器 的 差 分 输 入 级 。 用 FET 作 输 入 级 ， 不 仅 输 入 阻 抗 高 ，输 入 偏 置 电 流 低 ， 而 且 具 有 高 速 、 宽 带 和 低 噪 声 等 优 点 ， 但 输 入 失 调 电 压 较 大 。常 见 的 集 成 器 件 有 LF355、 LF347（ 四 运 放 ） 及 更 高 输 入 阻 抗 的CA3130、 CA3140 等 。3、 低 温 漂 型 运 算

23、放 大 器在 精 密 仪 器 、 弱 信 号 检 测 等 自 动 控 制 仪 表 中 ， 总 是 希 望 运 算 放 大 器 的 失 调 电 压要 小 且 不 随 温 度 的 变 化 而 变 化 。 低 温 漂 型 运 算 放 大 器 就 是 为 此 而 设 计 的 。 目 前 常 用的 高 精 度 、 低 温 漂 运 算 放 大 器 有 OP07、 OP27、 AD508 及 由 MOSFET 组 成 的 斩 波稳 零 型 低 漂 移 器 件 ICL7650 等 。4、 高 速 型 运 算 放 大 器在 快 速 A/D 和 D/A 转 换 器 、 视 频 放 大 器 中 ， 要 求 集 成

24、运 算 放 大 器 的 转 换 速 率SR 一 定 要 高 ， 单 位 增 益 带 宽 BWG 一 定 要 足 够 大 ， 像 通 用 型 集 成 运 放 是 不 能 适 合于 高 速 应 用 的 场 合 的 。 高 速 型 运 算 放 大 器 主 要 特 点 是 具 有 高 的 转 换 速 率 和 宽 的 频 率响 应 。 常 见 的 运 放 有 LM318、 A715 等 其 ， SR=50-70V/us， BWG 20MHz。兰州交通大学毕业设计（论文）45、 低 功 耗 型 运 算 放 大 器由 于 电 子 电 路 集 成 化 的 最 大 优 点 是 能 使 复 杂 电 路 小 型 轻

25、 便 ， 所 以 随 着 便 携 式 仪器 应 用 范 围 的 扩 大 ， 必 须 使 用 低 电 源 电 压 供 电 、 低 功 率 消 耗 的 运 算 放 大 器 相 适 用 。常 用 的 运 算 放 大 器 有 TL-022C、 TL-060C 等 ， 其 工 作 电 压 为 2V18V， 消 耗 电 流为 50250A。 目 前 有 的 产 品 功 耗 已 达 W 级 ， 例 如 ICL7600 的 供 电 电 源 为1.5V， 功 耗 为 10mW， 可 采 用 单 节 电 池 供 电 。6、 高 压 大 功 率 型 运 算 放 大 器运 算 放 大 器 的 输 出 电 压 主 要

26、受 供 电 电 源 的 限 制 。 在 普 通 的 运 算 放 大 器 中 ， 输 出电 压 的 最 大 值 一 般 仅 几 十 伏 ， 输 出 电 流 仅 几 十 毫 安 。 若 要 提 高 输 出 电 压 或 增 大 输 出电 流 ， 集 成 运 放 外 部 必 须 要 加 辅 助 电 路 。 高 压 大 电 流 集 成 运 算 放 大 器 外 部 不 需 附 加任 何 电 路 ， 即 可 输 出 高 电 压 和 大 电 流 。 例 如 D41 集 成 运 放 的 电 源 电 压 可 达150V， A791 集 成 运 放 的 输 出 电 流 可 达 1A。7、 可 编 程 控 制 运 算

27、 放 大 器在 仪 器 仪 表 得 使 用 过 程 中 都 会 涉 及 到 量 程 得 问 题 。 为 了 得 到 固 定 电 压 得 输 出 ，就 必 须 改 变 运 算 放 大 器 得 放 大 倍 数 。 例 如 ： 有 一 运 算 放 大 器 得 放 大 倍 数 为 10倍 ，输 入 信 号 为 1mv时 ， 输 出 电 压 为 10mv， 当 输 入 电 压 为 0.1mv时 ， 输 出 就 只 有 1mv，为 了 得 到 10mv就 必 须 改 变 放 大 倍 数 为 100。 程 控 运 放 就 是 为 了 解 决 这 一 问 题 而 产 生得 。 例 如 PGA103A， 通 过

28、 控 制 1、 2脚 的 电 平 来 改 变 放 大 的 倍 数 。1.2 CMOS 集成工艺随 着 CMOS工 艺 的 进 步 ， CMOS集 成 电 路 具 有 低 的 静 态 功 耗 、 宽 的 电 源 电 压 范围 、 宽 的 输 出 电 压 幅 度 ， 无 阈 值 损 失 ， 且 具 有 高 速 度 、 高 精 度 的 潜 力 ， 又 可 和NMOS集 成 电 路 一 样 与 TTL电 路 兼 容 ， 以 及 其 低 成 本 已 经 成 为 集 成 电 路 的 主 流 。在 CMOS电 路 中 ， P沟 道 MOS管 作 为 负 载 器 件 ， N沟 道 MOS管 作 为 驱 动 器

29、 件 ，这 就 要 求 在 同 一 个 衬 底 上 制 造 PMOS管 和 NMOS管 ， 所 以 必 须 把 一 种 MOS管 做 在衬 底 上 ， 而 另 一 种 MOS管 在 做 比 衬 底 浓 度 高 的 阱 中 。 根 据 阱 的 导 电 类 型 ， CMOS电 路 又 可 以 分 为 P阱 CMOS、 N阱 CMOS、 双 阱 CMOS电 路 。传 统 的 CMOS IC工 艺 采 用 P阱 工 艺 ， 这 种 工 艺 中 用 来 制 作 NMOS管 的 P阱 ， 是通 过 向 高 阻 N型 硅 衬 底 中 扩 散 （ 或 注 入 ） 硼 而 形 成 的 3。 N阱 工 艺 与 它

30、 相 反 ， 是 向高 阻 的 P型 硅 衬 底 中 扩 散 （ 或 注 入 ） 磷 ， 形 成 一 个 作 PMOS管 的 阱 ， 由 于 NMOS管兰州交通大学毕业设计（论文）5在 做 高 阻 的 P型 硅 衬 底 上 ， 因 而 降 低 了 NMOS管 的 结 电 容 及 衬 底 偏 置 效 应 ； 这 种 工艺 最 大 的 优 点 是 同 NMOS器 件 具 有 良 好 的 兼 容 性 。 双 阱 工 艺 是 在 高 阻 的 硅 衬 底 上 ，同 时 形 成 具 有 较 高 的 杂 质 浓 度 的 P阱 和 N阱 ， NMOS管 和 PMOS管 分 别 做 在 这 两 个阱 中 ； 这

31、 样 ， 可 以 独 立 调 节 两 种 沟 道 MOS管 的 参 数 ， 以 使 CMOS电 路 达 到 最 优 的特 性 ， 而 且 两 种 器 件 之 间 的 距 离 ， 也 因 采 用 独 立 的 阱 而 减 小 ， 以 适 合 于 高 密 度 的 集成 ， 但 其 工 艺 比 较 复 杂 。CMOS运算放大器也因其独特的性能优势常被用于模拟集成系统或子系统中，它的性能的好坏直接决定了整个模拟集成系统性能的好坏。因此，有必要对用CMOS运算放大器进行深入的学习和研究。1.3 论文选题的意义运 算 放 大 器 大 多 数 呈 现 出 一 级 特 性 ， 使 输 入 对 管 产 生 的 小

32、 信 号 电 流 直 接 流 过 输 出阻 抗 。 因 此 这 些 电 路 的 增 益 被 限 制 在 输 入 对 管 的 跨 导 与 输 出 阻 抗 的 乘 积 。 共 源 共 栅运 放 电 路 在 一 定 程 度 上 提 高 了 放 大 器 的 增 益 ， 却 限 制 了 输 出 摆 幅 。 而 两 级 CMOS运 算 放 大 器 用 两 级 结 构 把 增 益 和 摆 幅 分 开 处 理 ， 运 用 第 一 级 放 大 器 得 到 高 增 益 ，可 以 牺 牲 摆 幅 ， 第 二 级 放 大 器 主 要 实 现 大 输 出 摆 幅 ， 以 补 偿 第 一 级 牺 牲 的 摆 幅 ， 并进 一 步 提 升 增 益 ， 从 而 克 服 了 单 级 运 算 放 大 器 增 益 与 摆 幅 之 间 的 矛 盾 ， 同 时 实 现高 增 益 和 大 摆 幅 。由 于 CMOS集 成 电 路 具 有 低 的 静 态 功 耗 、 宽 的 电 源 电 压 范 围 、 宽 的 输 出 电 压 幅 度 ，且 具 有 高 速 度 、 高 精 度 的 潜 力 等 特 点 ， 因 此 可 将 其 运 用 到 运 算 放 大 器 的 设 计 当 中 。因 此 利 用 两 级 放 大 器 结 构 设 计 放 大 器 的 思 想 在 通 用 运 放 的 设 计 中 被 广 泛 采 用 。