实验5 Cadence模拟电路仿真
1、电路图的输入
利用我们Hspice学习的最后一个两级运算放大器的设计中的电路。
对该运放的电路进行输入，仿真模型利用Oban 中提供的模型文件。
2两级运算放大器的仿真：
仿真内容包括：增益测量，3dB 带宽测量，单位增益带宽测量，建立时间测量，相位裕度测量，转换速率测量，共模抑制比测量和电源纹波抑制比测量。具体测量方法参考课堂讲义ppt 或教材。
CMOS二级运算放大器设计 （东南大学集成电路学院） 一．运算放大器概述 运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。 它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。 二．设计目标 1.电路结构 最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。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。 图两级运放电路图 2.电路描述 电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。M6 提供给M7 的工作电流。M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。相位补偿电路由M14和Cc构成。M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。 3.设计指标 两级运放的相关设计指标如表1。
表1 两级运放设计指标 三．电路设计 第一级的电压增益： )||(422111o o m m r r g R G A == 第二级电压增益： )||(766222o o m m r r g R G A =-= 所以直流开环电压增益： )||)(||(76426221o o o o m m o r r r r g g A A A -== 单位增益带宽： c m O C g A GBW π2f 1 d == 偏置电流： 2 13 122121)/()/()/(2??? ? ??-=L W L W R L W KP I B n B 根据系统失调电压： 7 5 6463)/()/(21)/()/()/()/(L W L W L W L W L W L W == 转换速率： ? ?? ???-=L DS DS C DS C I I C I SR 575,min 相位补偿： 12.1)/()/()/()/(1 61311 146 6+== m m m C g g L W L W L W L W g R
1.1运放的典型设计和应用 1.1.1运放的典型应用 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。 1) 运放在有源滤波中的应用 图有源滤波 上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。 其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； 贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率 2) 运放在电压比较器中的应用 图电压比较 上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。 该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。 将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。 3) 恒流源电路的设计
如图所示，恒流原理分析过程如下： U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故V4 V1=; 由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A （上图中上边的运放）有： V5 V3=； 而 () 421 2020 V4-Vref V5V R R R ++? =； ()019 1819 0-V2 V3++?=R R R ; 有以上等式组合运算得：Vref V1 V2=- 当参考电压Vref 固定为时，电阻R30为Ωk ,电流恒定输出。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。 但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。
《集成电路应用》课程实验实验一 4053门电路综合实验 学院：物理与信息工程学院 专业: 电子信息工程 年级： 2015级 姓名：张桢 学号： 指导老师：许志猛
实验一 4053门电路综合实验 一、实验目的： 1.掌握当前广泛使用的74/HC/HCT系列CMOS集成电路、包括门电路、反相 器、施密特触发器与非门等电路在振荡、整形、逻辑等方向的应用。 2.掌握4053的逻辑功能，并学会如何用4053设计门电路。 3.掌握多谐振荡器的设计原理，设计和实现一个多谐振荡器，学会选取和 计算元件参数。 二、元件和仪器： 1.CD4053三2通道数字控制模拟开关 2.万用表 3.示波器 4.电阻、电容 三、实验原理： 1.CD4053三2通道数字控制模拟开关 CD4053是三2通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。CD4053的管脚图和功能表如下所示 4053引脚图
4053的8种逻辑功能 CD4053真值表 根据CD4053的逻辑功能，可以由CD4053由4053电路构成如下图所示8种逻辑门（反相器与非门或非门、反相器、三态门、RS 触发器、——RS 触发器、异或门等）。 输入状态 接通通道
]) 2)(()(ln[ T DD T DD T DD T V V V V V V V RC T -+--=2.多谐振荡器的设计 非门作为一个开关倒相器件，可用以构成各种脉冲波形的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容器的充放电，当输入电压达到与非门的阈值电压VT 时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。 可以利用反相器设计出如下图所示的多谐振荡器 这样的多谐振荡器输出的信号周期计算公式为： 当R S ≈2R 时，若：VT=0.5VDD ，对于HC 和HCU 型器件，有 T ≈2.2RC 对于HCT 型器件，有 T ≈2.4RC 四、实验内容： 1. 验证CD4053的逻辑功能，用4053设计门电路，并验证其逻辑功能： （1）根据实验原理设计如下的反相器电路图： CD4053构成反相器电路
电子工程师必备基础知识（一） 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 电子工程师必备基础知识（二） 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电；通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级（电路或产品）对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识（三） 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电；通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。 电感是电容的死对头。另外，电感还有这样一个特点：电流和磁场必需同时存在。电流要消失，磁场会消失；磁场要消失，电流会消失；磁场南北极变化，电流正
CMOS 两级运放的设计 1设计指标 在电源电压0-5V,采用0.5um上华CMOS工艺。完成以下指标： 2电路分析 2.1 电路图 2.2电路原理分析
两级运算放大器的电路结构如图1.1所示，偏置电路由理想电流源和M8组成。M8将电流源提供的电流转换为电压，M8和M5组成电流镜，M5将电压信号转换为电流信号。输入级放大电路由 M1～M5 组成。M1 和M2 组成PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载，将差模电流恢复为差模电压。；M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过M1，2的电流与流过M3,4的电流 1,23,45/2 d d d I I I ==。输出级放大电路 由M6、M7 组成。M6 将差分电压信号转换为电流，而M7 再将此电流信号转换为电压输出。M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由Cc 构成，构成密勒补偿。 3 性能指标分析 3.1 直流分析 由于第一级差分输入对管M1和M2相同，有 第一级差分放大器的电压增益为： 1 124m v ds ds g A g g -= + 第二极共源放大器的电压增益为 6 267 m v ds ds g A g g -= + 所以二级放大器的总的电压增益为 1626 1224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ=== ++++ 3.2频率特性分析 设1C 为第一级输出节点到地的总电容，有 1 2 2446GD DB GD DB GS C C C C C C =++++ 设2C 表示第二级输出节点与地之间的总电容，有 2 6 77DB DB GD L C C C C C =+++
实验报告 课程名称：集成电路原理 实验名称： CMOS模拟集成电路设计与仿真 小组成员： 实验地点：科技实验大楼606 实验时间： 2017年6月12日 2017年6月12日 微电子与固体电子学院
一、实验名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真 二、实验学时：4 三、实验原理 1、转换速率（SR）：也称压摆率，单位是V/μs。运放接成闭环条件下，将一个阶跃信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。 2、开环增益：当放大器中没有加入负反馈电路时的放大增益称为开环增益。 3、增益带宽积：放大器带宽和带宽增益的乘积，即运放增益下降为1时所对应的频率。 4、相位裕度：使得增益降为1时对应的频率点的相位与-180相位的差值。 5、输入共模范围：在差分放大电路中，二个输入端所加的是大小相等，极性相同的输入信号叫共模信号，此信号的范围叫共模输入信号范围。 6、输出电压摆幅：一般指输出电压最大值和最小值的差。 图 1两级共源CMOS运放电路图 实验所用原理图如图1所示。图中有多个电流镜结构，M1、M2构成源耦合对，做差分输入；M3、M4构成电流镜做M1、M2的有源负载；M5、M8构成电流镜提供恒流源；M8、M9为偏置电路提供偏置。M6、M7为二级放大电路，Cc为引入的米勒补偿电容。 其中主要技术指标与电路的电气参数及几何尺寸的关系：
转换速率：SR=I5 I I 第一级增益：I I1=?I I2 I II2+I II4=?2I I1 I5(I2+I3) 第二级增益：I I2=?I I6 I II6+I II7=?2I I6 I6(I6+I7) 单位增益带宽：GB=I I2 I I 输出级极点：I2=?I I6 I I 零点：I1=I I6 I I 正CMR：I II,III=I II?√5 I3 ?|I II3|(III)+I II1,III 负CMR：I II,III=√I5 I1+I II5,饱和 +I II1,III+I II 饱和电压：I II,饱和=√2I II I 功耗：I IIII=(I8+I5+I7)(I II+I II) 四、实验目的 本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于： 根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC设计技巧。 学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路的模拟仿真。 五、实验内容 1、根据设计指标要求，针对CMOS两级共源运放结构，分析计算各器件尺寸。 2、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC和瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法与仿真结果的查看方法。 3、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。
运放设计原理 一、集成电路及其特点 集成电路是利用氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝等集成工艺，把晶体管，电阻，导线等集中制作在一小块半导体（硅）基片上，构成一个完整的电路。按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，其中集成电路运算放大器（线性集成电路，以下简称集成运放）是模拟集成电路中应用最广泛的，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。 集成电路的特点 1．单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对 称性好。适合于组成差动电路。 2．阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。 3．大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。 4. 在集成电路中，为了不使工艺复杂，尽量采用单一类型的管子，元件种类也 要少所以，集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点。常用 二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量 电流，二极管用三极管的发射结代替 5．在集成电路中，NPN管都做成纵向管，β大；PNP管都做成横向管，β小 而PN结耐压高。NPN管和PNP管无法配对使用。对PNP管，β和（β+1） 差别大，I B往往不能忽略。 二、集成运放电路的组成及各部分的作用 1．组成
2．作用 如图所示，集成运放电路由四部分组成，输入级是一个双端输入的高性能差动放大电阻，要求其R i高，A od大，K CMR大，静态电流小，该级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，所以更新变化最多。中间级的作用是使集成运放具有较强的放大能力，故多采用复合管做放大管，以电流源做集电极负载。输出级要求具有线性范围宽，输出电阻小，非线性失真小等特点。偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点 三、集成运放的电压传输特性 1.符号 同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同，若u P >0，则u O >0；u P <0，则u O <0. 反相输入端表示输入电压与输出电压相位相反，若u N >0，则u O <0;反之u N <0，则u O >0. 2.电压的传输特性
电子科技大学 实验报告 二、实验项目名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真 三、实验地点：211大楼606房间 四、实验学时：4 五、实验目的： （1）综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路版图设计，掌握基本的IC版图布局布线技巧。 （2）学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行版图的的设计与验证 六、实验原理： IC设计一般规则： ①根据用途要求，确定系统总体方案 ②根据电路的指标和工作条件，确定电路结构与类型，然后通过模拟计算， 决定电路中各器件的参数（包括电参数、几何参数等），EDA软件进行模拟仿真。 ③根据电路特点选择适当的工艺，再按电路中各器件的参数要求，确定满足 这些参数的工艺参数、工艺流程和工艺条件。 ④按电路设计和确定的工艺流程，把电路中有源器件、阻容元件及互连以一 定的规则布置在硅片上，绘制出相互套合的版图，以供制作各次光刻掩模版用。 ⑤生成PG带制作掩模版 ⑥工艺流片 ⑦测试，划片封装
实验模拟基于Cadence 平台的电路设计与仿真 七、实验内容： 1、UNIX操作系统常用命令的使用，Cadence EDA仿真环境的调用。 2、设计一个运算放大器电路，要求其增益大于60dB, 相位裕度大于45o， 功耗小于10mW。 3、根据设计指标要求，选取、确定适合的电路结构，并进行计算分析。 4、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans 分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法。 5、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。 6、整理仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告。 八、实验仪器与器材 （1）工作站或微机终端一台 （2）EDA仿真软件 1套 九、实验结果： 1、根据实验指导书熟悉UNIX操作系统常用命令的使用，掌握Cadence EDA仿真环境的调用。 2、根据设计指标要求，设计出如下图所示的电路结构。并进行计算分析，确定其中各器件的参数。 4、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分 ①增益与频率之间的关系、相位裕度与频率之间关系图如下所示： ②输入、输出关系曲线 十、实验结果计算与分析： 从幅频特性曲线图像中可以读出，电路的增益A V=59dB略小于设计所要求的60dB；找出增益接近于0时候的截止频率为102.4MHz，对应到下方相频特性曲线图像中为-130o，则相位裕度为180o-130o=50o，
1.1运放的典型设计和应用 1.1.1 运放的典型应用 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、 有源滤波器、 振荡器及电压比较器。 1）运放在有源滤波中的应用 图5.2有源滤波 上图是典型的有源滤波电路（赛伦 -凯 电路，是巴特沃兹电路的一种） 让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将 R233和R230的阻值选一 致，C50和C201的容量大小选取一致（两级 RC 电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路） ，这 样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。 其中电阻 R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； 贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 2）运放在电压比较器中的应用 。有源滤波的好处是可以 二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率 +5VA +3.3V
图5.3电压比较 上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器 LM393，将其转化为同频率的方波 信号（存在反相，让软件处理一下就可以） ，该电路在交流信号测频中广泛使用。 该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。 将输出进行（1+R292/R273 ）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是 R275，R275决定了方波的上升速度。 3）恒流源电路的设计 如图所示，恒流原理分析过程如下: U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故 V1 V4； 由运算放大器的虚短原理，对于运放 U4A （上图中上边的运放）有： V3 V5； 而 V5 Vref-V4?R20R 20 R 21 V 4 ； 有以上等式组合运算得： V2 V1 Vref 当参考电压 Vref 固定为1.8V 时，电阻R30为3.6 k ,电流恒定输出0.5mA 。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是： 所有的电阻都需要采用高精度 电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流 但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的 好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短 路时，不至于对恒流源电路造成损坏。 V3 V2 - 0 ? R 19 /R18 R 19 0; use TLC2272AIO
运放内部电路结构涉及知识点讲解 专栏介绍本课程为运放专题讲解，重点讲解了运放的内部电路结构，帮助深入理解运放的工作原理。运放是设计使用非常频繁且非常重要器件，通常在信号放大，电流采样电路里常见，对于初学者经常感到困惑，所以掌握好能够帮助你很好的分析电路，使你在处理信号电路设计时得心应手，本课程会通过空气净化器项目来带领大家一起学习，让大家快速的成长为一名有经验的能够独立做项目的研发工程师或高级工程师 涉及知识点： 1、什么叫推挽电路？什么叫射极输出？推挽电路为什么能实现电压跟随，电流放大？为什么推挽电路不会出现串红现象？ 2、什么叫运算放大器？为什么说运放在电路设计中有着极其重要的作用。 3、详细讲解运算放大器内部三大结构。 4、详细讲解三极管放大电路，什么叫三极管的Q点，以及Q点如何设置，以及由此引出的直流偏置电路，什么叫交流耦合，交流信号如何传递耦合，输出极性如何？ 5、什么叫差分输入？为什么要引入差分输入，如何提高差分信号的放大能力？ 6、什么叫共模干扰？如何抑制共模干扰？ 7、什么叫反馈，负反馈，反馈的重要作用，详细讲解运放为什么引入深度负反馈才能工作在放大区。为什么说运放的反馈网络是工作稳定的？ 8、详细讲解运放的四种构成形态，电压串联，电压并联，电流串联，电流并联，以及如何判断？ 9、详细讲解为什么引入深度负反馈后的运放有着“虚短”和“虚断”的两个重要特征。 10、如何设计运放放大电路，如何根据“虚短”和“虚断”计算放大倍数。 受众群体有哪些？ 1、如果你还是学生，正厌倦于枯燥的课堂理论课程，想得到电子技术研发的实战经验； 2、如果你即将毕业或已经毕业，想积累一些设计研发经验凭此在激烈竞争的就业大军中脱颖而出，找到一份属于自己理想的高薪工作；
实验报告
一、实验名称：集成电路版图识别与提取 二、实验学时：4 三、实验原理 本实验重点放在版图识别、电路拓扑提取、电路功能分析三大模块， 1、仔细观察芯片图形总体的布局布线，找出电源线、地线、输入端、 输出端及其对应的压焊点。 2、判定此IC采用P阱还是N阱工艺；进行版图中元器件的辨认， 要求分出MOS管、多晶硅电阻和MOS电容。 3、根据以上的判别依据，提取芯片上图形所表示的电路连接拓扑结
构；复查，加以修正；完成电路的提取，并分析电路功能，应用Visio 或Cadence等软件对电路进行复原。 六、实验仪器设备 （1）工作站或微机终端 1台 （2）芯片显微图片 1张 图1 1、观察芯片布局明确V DD、GND、V in1、V in 2、V out、Test的压焊点。 2、根据V DD连接的有源区可以判断为PMOS管，根据比较环数推测出 此IC采用了P阱工艺。
3、确定P阱工艺后，从输入端开始逐一对元器件及其连线进行辨认。从输入端出来，直接看到在输入压焊点到输入管之间有一段多晶硅，但又无连线的“交叉”出现，排除了“过桥”的可能，初步判断为电阻，再根据其后的二极管可以判定为是与二极管组成保护电路最终与输入管相接，可断定是输入端起限流作用的电阻。其中绿色圈标识有大片的多晶硅覆盖扩散区的区域判断为MOS电容。
图2 2、可见，实验图片为一个采用CMOS P阱工艺制造的放大器电路，该电路为典型的差分放大输入级。由电路图可以看出，器件连接方式正确，逻辑上能完成确定的功能，说明提取结果是正确的。 3、整个实验过程是对IC逆向设计的尝试，IC逆向设计是IC设计的一条关键技术之一，一方面可借鉴并消化吸收先进、富有创意的版图 步提取； 由将二者提取的电路结合所学知识修改、完善，并最终确定电路； 由用Cadence 软件搭建出所提取的电路，并完善布局； 最后，由二者共同完成该实验报告。
LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计 V SS vout iref 图 1两级CMOS 运算放大器 一：基本目标： 参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标： 5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =- 5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ> out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤ 相位裕度：60o 为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点： 单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此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。在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。如本文讨论的两级运放，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。
表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 二：两级放大电路的电路分析： 图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流 1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结 构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。 表2 m μ工艺库提供的模型参数 表3 一些常用的物理常数
高增益二级运放的设计 重庆邮电大学重庆国际半导体学院年级：2011级 班级：1611101 姓名：王强
引言 相对与数字集成电路的规律性和离散性，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。但这并不适用于模拟电路设计。一般来说，模拟电路设计仍然需要手工进行。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。 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。伴随者每一代CMOS 工艺，由于电源电压和晶体管沟道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。 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。 一旦结构确定，接着就要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电路等等，这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。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。但要记住，手算是绝对必需的！通过手算，可以深入的理解电路，对于设计多边形法则也可以更好进行权衡和把握。 电路分析 图1.1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7M8M9 M10 M11M12Vin+ Vin-Vout Vin1Iss GND VDD
电路结构 最基本的CMOS 二级米勒补偿运算放大器的结构如图1.1所示。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。 电路描述 输入级放大电路由M 1～M 8组成。M 1和M 2组成NMOS 差分输入对， 差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰。 输出级放大电路由M 9、M 10组成。M 9为共源放大器，M 10为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由R 和C C 构成，与电容C C 一起跨接在第二级输入与第一级输出之间，构成RC 密勒补偿。 静态特性 暂时不考虑电阻R ，绘出电路的等效模型，如图1.2所示。 图1.2 由于第一级差分输入对管M 1 、M 2 相同，可以得到： 112m G gm gm == (1) R 1表示第一级输出电阻，其值可以表示为： 1113557||m o o m o o R g r r g r r = (2) 则第一级的电压增益为： ()1111113557||V m m m o o m o o A G R g g r r g r r == (3) 对第二级有： 29m G gm = (4) 2910||o o R r r = (5) ()2229910||V m m o o A G R g r r == (6) ()()12112211135579910||||V V V m m m m o o m o o m o o A A A G R G R g g r r g r r g r r === (7) ` `` +-V in1 +-V in2+- V out G m1V in1 G m2V in2 R 1 R 2 C 1 C 2 C C
方案分析： 两级放大的参数选取能在不失真的情况下尽可能的放大小信号，所以，两级放大的参数极为重 要。 电路分析： 图 4-1 三极管两级放大器 I b 1 V cc U BE1 U BE1 R6；I c1 I b1 , I e1 (1 ) I b 1； R2 (1 )( R5 R6) R3 R5 静态工作点：由公式 U ce1V cc I c1 R 4 I e1 (R 5 R 6 ) ；可求出Q1的静态工作点，即Ube1等于 7V，由于 Q1和 Q2间是电容耦合，所以两个晶体管的静态工作点不相互影响，由公式 V cc U be2 I b 2 R7(1)( R10 Q2 的静态工作点电容相当于短路， U be2 R11 ) R8 R10 R11 I c2 I b 2 , I e 2 (1 ) I b 2； U ce2 V cc I c 2 R 9 I e 2 (R 10 R 11 ) 可算出Ube2 为 6V。图中的电容C2， C4， C6 均为滤波电容，画出微变等效电路， 图 4-2微变等效电路 U o R4 (R9 // R L ) A r be1 R5 ? R10 所以电容C9 和 C10的作用就提高放大倍数， U i r be2 ，如果电路接入 RL，则放大倍数会减小。
Multisim仿真： 仿真图： 图 4-3两级放大nultisim仿真 图 4-4 5mV 1kHz函数发生器图4-5交流电流表 图 4-6 Ic1电流值图4-7 Uce1电压值
图 4-8 Ic2电流值图4-9Uce2电压值 图 4-10无负载的输出电压Uo图4-11有负载的输出电压Uo 无负载的放大倍数：328 倍有负载的放大倍数：197 倍
1.1 运放的典型设计和应用 1.1.1 运放的典型应用 运放的基本分析方法：虚断，虚短。对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。 运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。 1) 运放在有源滤波中的应用 图5.2 有源滤波 上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯电路，是巴特沃兹电路的一种）。有源滤波的好处是可以让大于截止频率的信号更快速的衰减，而且滤波特性对电容、电阻的要求不高。 该电路的设计要点是：在满足合适的截止频率的条件下，尽可能将R233和R230的阻值选一致，C50和C201的容量大小选取一致（两级RC电路的电阻、电容值相等时，叫赛伦凯电路），这样就可以在满足滤波性能的情况下，将器件的种类归一化。 其中电阻R280是防止输入悬空，会导致运放输出异常。 滤波最常用的3种二阶有源低通滤波电路为 巴特沃兹，单调下降，曲线平坦最平滑； 切比雪夫，迅速衰减，但通带中有纹波； 贝塞尔（椭圆），相移与频率成正比，群延时基本是恒定。 二阶有源低通滤波 电路的画法和截止频率 2) 运放在电压比较器中的应用
图5.3 电压比较 上图是典型信号转换电路，将输入的交流信号，通过比较器LM393，将其转化为同频率的方波信号（存在反相，让软件处理一下就可以），该电路在交流信号测频中广泛使用。 该电路实际上是过零比较器和深度放大电路的结合。 将输出进行（1+R292/R273）倍的放大，放大倍数越高，方波的上升边缘越陡峭。 该电路中还有一个关键器件的阻值要注意，那就是R275，R275决定了方波的上升速度。 3) 恒流源电路的设计 如图所示，恒流原理分析过程如下： U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故V4 V1=; 由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A （上图中上边的运放）有： V5 V3=； 而 () 421 2020 V4-Vref V5V R R R ++? =； ()019 1819 0-V2 V3++?=R R R ; 有以上等式组合运算得：Vref V1 V2=- 当参考电压Vref 固定为1.8V 时，电阻R30为3.6Ωk ,电流恒定输出0.5mA 。 该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。 但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。
模拟CMOS集成电路实验报告 专业： 班级： 姓名： 学号：
实验一:共源级放大器性能分析 一、实验目的 1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法； 2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真； 3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线； 4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响 二、实验要求 1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。 2、输入共源级放大器电路图。 3、设置仿真环境。 4、仿真并查看仿真结果，绘制曲线。 三、实验结果 1、原理图
2、幅频特性曲线 3、相频特性曲线
四、实验结果分析 器件参数： NMOS管的宽长比为10，栅源之间所接电容1pF，Rd=10K。 实验结果： 输入交流电源电压为1V，所得增益为12dB。 由仿真结果有：gm=496u，R=10k，所以增益Av=496*10/1000=4.96=13.91 dB 可见，实际增益大于理论增益。 补充：电阻改为1k后 实验二:差分放大器设计 一、实验目的 1.掌握差分放大器的设计方法； 2.掌握差分放大器的调试与性能指标的测试方法。
二、实验要求 1. 确定放大电路；2.确定静态工作点Q ； 3.确定电路其他参数。 4.电压放大倍数大于20dB ，尽量增大GBW ，设计差分放大器； 5.对所设计电路调试； 6.对电路性能指标进行测试仿真，并对测量结果进行验算和误差分析。 三、实验原理 平衡态下的小信号差动电压增益A V 为： β1= β2= β=μn C OX (W/L) 四、实验结果 W/L R 5 10 20 30 20K 14.3dB 15.6dB 16.8dB 17.3dB 30K 16.8dB 19dB 20.2dB 20.8dB 40K 20.1dB 20.9dB 21.7dB 22.4dB R 的增加，增益也增加。但从仿真特性曲线我们可以知道，这会限制带宽的特性，W/L 增大时，带宽会下降。为保证带宽， 选取W/L=5，R=40K 的情况下的数值，带宽约为1.18G ，可以符合系统的功能特性，实验结果见下图。 SS V SS D D I A =βI R =2β()R 2
基本运算放大器电路设计
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武汉理工大学 开放性实验报告 （A类） 项目名称：基本运算放大器电路设计实验室名称：创新实验室 学生姓名：**
创新实验项目报告书 实验名称基本运算放大器电路设计日期2018.1.14 姓名** 专业电子信息工程 一、实验目的（详细指明输入输出） 1、采用LM324集成运放完成反相放大器与加法器设计 2、电源为单5V供电，输入输出阻抗均为50Ω，测试负载为50Ω输出误差 不大于5% 3、输入正弦信号峰峰值V1≤50mV,V2=1V，输出为-10V1+V2. 二、实验原理（详细写出理论计算、理论电路分析过程）(不超过1页) 通过使用LM324来设计反相放大器和加法器，因为每一个芯片内都有4个运放，所以我们就是使用其内部的运放来连接成运算放大器电路。 我们采用两个芯片串联的方式进行芯片的级联。对于反相放大器，输出电压Vo=-Rf/R1*Vi；对于同相加法器，Vo=(Rf/R1*Vi1+Rf/R2*Vi2)。 由于对该运放使用单电源5V供电，故需要对整个电路的共地端进行 2.5V 的直流偏置。为实现2.5V的共地端，在这里采用了电压跟随器的运放模型。2.5V 的分压点用两个相同100k的电阻进行分压，并根据经验选取了一个10uF的极性电容并联在2.5V分压点处，起滤除电源噪声的作用。最终由电压跟随器输出端作为后面电路的共地端。同样为使反相放大器能够放大10倍，有-Rf/R1=-10,即Rf=10R1,可取R1=10kΩ，Rf=100kΩ，则R2=R1//Rf。对于加法器，有R1=R2=Rf,均取为100kΩ，则R=100kΩ。
CMOS两级运放设计与仿真 本设计采用Tanner软件中的S-Edit组件设计CMOS两级运放原理图，并使用T-Spice 组件对其电路生成的Spice文件进行设定仿真，以便进一步掌握Tanner软件的使用方法。 操作流程如下：编辑两级运放的原理图->生成Spice文件->进行模拟仿真->查看结果。 一、两级运放的原理图 两级CMOS运放的基本结构如图一所示。该电路的第一级为差分放大器，由V1~V4组成。第二级由V5、V6组成，其中V5为该级的放大管，V6为负载管，输出为高阻型。恒流源由V7、V8、V9组成。Cc为相位补偿电容，以防止电路产生自激。 图一两级CMOS运放 本设计采用1.25um工艺，取最小尺寸，即管子长L=2*1.25=2.5um，并要求电压增益大于等于5000，单位增益带宽等于3MHz，压摆率为2，补偿电容为5pF管子开启电压为1V，直流电源电压为5V，差分电源电压为3V，高频正弦小信号，NMOS和PMOS的沟道调制系数分别为0.01和0.015。各个管子的宽长比如下表所示。 表格 1 两级运放放大器设计参数 二、编辑运放原理图 1）打开S-Edit组件，在其中调入PMOS模块（*4）、NMOS模块（*5）、直流电源模块（*3）、正弦电压源模块（*1）、电容模块（*1）和GND模块（*1）。最后将各个模块按图一所示放置好，并连线。 2）按照上述参数要求修改PMOS和NMOS的参数，以及正弦信号、电源电压的参数。
3）加入输出接点：单击工具栏中的输出接点按钮，再单击电容右端节点，在弹出的对话框中输入节点名“OUT”，再单击ＯＫ即可。如图二所示。 图二加入输出接点 按照上述要求和操作后的两级CMOS运放电路图如图三所示。 图三运放原理图 ４）重命名模块为“两级运放”，生成Spice文件，并在其中插入命令：单击命令工具条中的T-Spice按钮，自动生成Spice文件，并自动打开Ｔ－Spice组件程序。在Spice文件中插入包含文件“ｍ12_125.md”，和以下命令行：.include "D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"，.tran/op 1n 400n method=bdf，.print tran v(N42) v(OUT)。最后将此文件重命名为“两级运放_0.01V”，以区分其他的仿真。仿真后的结果如图四所示。
电子科技大学学院 （微电子技术系） 实验报告书 课程名称：芯片解剖实验 学号： 姓名： 教师：
年6月28日 实验一去塑胶芯片的封装 实验时间：同组人员： 一、实验目的 1.了解集成电路封装知识，集成电路封装类型。 2.了解集成电路工艺流程。 3.掌握化学去封装的方法。 二、实验仪器设备 1：烧杯，镊子，电炉。 2：发烟硝酸，弄硫酸，芯片。 3：超纯水等其他设备。 三、实验原理和容 实验原理： 1..传统封装：塑料封装、瓷封装 （1）塑料封装（环氧树脂聚合物） 双列直插DIP、单列直插SIP、双列表面安装式封装SOP、四边形扁平封装QFP 具有J型管脚的塑料电极芯片载体PLCC、小外形J引线塑料封装SOJ （2）瓷封装 具有气密性好，高可靠性或者大功率 A.耐熔瓷（三氧化二铝和适当玻璃浆料）：针栅阵列PGA、瓷扁平封装FPG B.薄层瓷：无引线瓷封装LCCC
2..集成电路工艺 （1）标准双极性工艺 （2）CMOS工艺 （3）BiCMOS工艺 3.去封装 1．瓷封装 一般用刀片划开。 2. 塑料封装 化学方法腐蚀，沸煮。 （1）发烟硝酸煮（小火）20~30分钟 （2）浓硫酸沸煮30~50分钟 实验容： 去塑胶芯片的封装 四、实验步骤 1.打开抽风柜电源，打开抽风柜。 2.将要去封装的芯片（去掉引脚）放入有柄石英烧杯中。 3.带上塑胶手套，在药品台上去浓硝酸。向石英烧杯中注入适量浓硝酸。（操作时一定注意安全） 4.将石英烧杯放到电炉上加热，记录加热时间。（注意：火不要太大） 5.观察烧杯中的变化，并做好记录。 6.取出去封装的芯片并清洗芯片，在显微镜下观察腐蚀效果。 7.等完成腐蚀后，对废液进行处理。