CMOS两级运算放大器设计及仿真
实验报告
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一、运算放大器设计简介
运算放大器是许多模拟及数模混合信号系统中一个十分重要的部分。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分为两个步骤。第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图。确定好的电路结构不能轻易修改。
运算放大器的电路结构确定之后需要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电容等关键参数。为了满足运放的交流和直流需要，所有管子必须设计出合适尺寸。在手工计算的基础上，运用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。若不符合，再回到手工计算，调试电路。
二、设计目标
电路参数要求：
(1)直流或低频时的小信号差模电压增益
Avd = 4000V/V(72dB)
(2)增益带宽积
GBW = 10MHz
(3)输入共模电压围
Vcm,min = 0.4V，Vcm,max = 1.5V
(4)输出电压摆幅
0.2V < Vout < 1.5V
(5)相位裕度
PM = 60
(6)负载电容
CL = 1pF
(7)电源电压
VDD = 1.8V
使用CMOS-90nm工艺库。
三、电路设计
1.电路结构
最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图所示。主要包括四大部分：第一级双端输入单端输出差分放大级、第二级共源放大级、直流偏置电路及密勒补偿电路。
2.电路描述
输入级放大电路由PM0、PM2、NM1、NM3组成，其中PM0与PM2组成电流源偏置电路，NM1与NM3组成差分放大电路，输入端分别为IN1和IN2，单端输出。如下图所示。
输出级放大电路由PM1和NM4组成，其中PM1为共源放大级电路，NM4为电流源偏置电路。如下图所示。
电流源偏置电路由NM0、NM2与NM4组成，其中NM0接偏置电流源，电流源电流为30uA。如下图所示。
选取电源电压为1.8V。
共模输入电压设为500mV，差模输入电压设IN1、IN2为5uV交流小信号，方向相反。如下图所示。
3.参数估计
第一级放大电路的电压增益：
第二级放大电路的电压增益：
两级放大电路总增益：
增益带宽积：
设置直流工作点：
对单个nmos管进行gm/Id、Id/w与Vgs图形仿真，如下图所示。
取gm/Id为10，Vgs为0.3V，可得差动放大级单边电路偏置电流为15uA。根据镜像电流源的特性可设置Iref为30uA。设置第二级共源放大级直流偏置电流为34.3uA。
宽长比计算如下：
偏置电路：
NM0 4.5
NM2 4.5
NM4 5.15
差分放大电路：
PM0 1.875
PM2 1.875
NM1 15
NM3 15
共源放大级：
PM1 4.7
密勒补偿电路参数配置
Rc 10K
Cc 3pF
四、仿真调试
测试环境搭建。tran为扫频时间，设置输入信号频率为1KHz，因此tran值设置为10ms。扫频围为1至100GHz。并保存直流工作点信息。如下图所示。
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
《集成电路CAD》课程设计报告 课题：基于Spectre运算放大器的设计 一：课程设计目标及任务 利用Cadence软件设计使用差分放大器，设计其原理图，并画出其版图，模拟器各项性能指标，修改宽长比，使其最优化。 二：运算放大器概况 运算放大器（operational amplifier），简称运放（OPA），如图1.1所示： 图1.1运放示意图 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，无论是使用晶体管或真空管、分立式元件或集成电路元件，运算放大器的效能都已经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的，现在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。 三：原理图的绘制及仿真
3.1原理图的绘制 首先在Cadence电路编辑器界面绘制原理图如下： 图3.1电路原理图 原理图中MOS管的参数如下表： Instance name Model W/m L/m Multiplier Library Cell name View name M1 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol M2 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol M3 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbol M4 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbol M5 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol
前言 (2) 第一章放大器的概述 (2) 1.1多级放大器的功能 (2) 1.2.2设计任务及目标 (2) 1.2.3主要参考元器件 (3) 第二章电路设计原理与单元模块 (3) 2.1设计原理 (3) 2.2设计方案 (4) 2.3单元模块 (6) 第三章安装与调试 (6) 3.1电路的安装 (6) 3.2电路的调试 (7) 第四章实验体会 (7) 结论 (7) 致谢 (7) 参考文献 (8) 附录 (8)
前言 电子技术电路课程设计是从理论到实践的一个重要步骤，通过这个步骤使我们的动手能力有了质的提高，也使我们对电路设计理念的认识有了质的飞跃。本课程设计是对放大器对电压放大的基本应用，我们设计的二级低频阻容耦合放大器严格按照实验要求设计，能够充分满足的电压放大倍数、频带宽、输入输出电阻等实验要求的性能参数，这次课程设计让我们了解了类似产品的内部原理结构。设计时我和搭档设计了二级三极管放大电路、可变放大倍数的二级运算放大器电路等多种方案，由于考虑到器材的限制，我们最终采用了最为简洁的两级运算放大器电路，实现了用最少的元器件实现要求功能。 第一章放大器的概述 1.1多级放大器的功能 随着科技的进步，电子通讯产品越来越多的进入人们视野，小到耳机手机收音机，大到大型雷达都要利用到信号放大器，可以说信号放大器是现代通讯设备的核心器件之一，而多级放大器又是一级放大器的推广，可以克服单级放大器放大倍数不够等诸多问题。耦合形式多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。 直接耦合——耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。 直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。 电抗性元件耦合——级间采用电容或变压器耦合。 电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。 零点漂移是三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参 数的变化往往由相应的指标来衡量。一般将在一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。 本设计主要完成：实验要求电压放大倍数大于100倍，实际参数200倍，频带要求为：30Hz~30KHz，实际参数20Hz~150KHz，要求输入电阻大于20千欧，实际为23千欧，要求输出电阻均低于10欧，实际为8欧。 1.2设计任务及要求1.2.1基本要求（1）电压放大倍数大于100倍；（2）电路的频带为：30Hz~30KHz；（3）输出电阻大于20千欧； (4)输出电阻小于10欧； 1.2.2设计任务及目标 （1）综合运用相关课程所学到的理论知识去独立完成课题设计；
折叠式共源共栅运算放大器
目录 一．摘要 (2) 二．电路设计指标 (3) 三．电路结构 (3) 四．手工计算 (7) 五．仿真验证 (10) 六．结论 (12) 七．收获与感悟 (12) 八．参考文献 (13)
摘要 运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用，针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。本文完成了一个由pmos作输入的放大器。vdd为3.3v，负载电容为1pf，增益Av 大于80dB，带宽GBM大于100MHz的放大器。输出级采用共源级结构以提高输出摆幅及驱动能力，为达到较宽的带宽，本文详细分析推导了电路所存在的极零点，共源共栅镜像电流源产生Ibias。选择P沟道晶体管的宽度和长度，使得它们的m g 和ds r 与N沟道晶体管的情况相匹配。 关键字：运算放大器、共源共栅级、极点 Abstract Operation amplifiers are widely used in many field s nowadays。All kinds of differential operation amplifiers appear f6r special application．One basic cell of which is fully differential operation amplifiers is designed in the thesis．Power Supply 3.3v，load capacitor 1pf，Gain＞80dB，GBM＞100MHz。The output stage is common source amplifier for getting proper DC operation point，for the purpose of wider bandwidth，we carefully analysis the pole and zero in the circuit ，use common source common gate as current Ibias。Choose pmos w/l to make their mg and dsr which can match with nmos。 Kay words：Operation amplifiers、common source common gate、pole
运算放大器参数详解 技术2010-12-19 22:05:36 阅读80 评论0 字号：大中小订阅 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。 历史 直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。 第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的μA741，在60年代后期广泛流行。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。 原理 运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,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.反转放大器和非反转放大器如下图：
实验一、两级运算放大器的仿真验证 一、实验目的 1、学习集成运算电路单元的设计参数的仿真、测试、验证。 2、学习采用Cadence工具实现IC电路设计的基本操作和方法，包括电路图的编辑以及仿真调试过程。 二、实验内容 本实验通过设计一个两级运算放大器电路学习Cadence工具下电路的设计和仿真方法。实验内容包括： 1.熟悉Cadence界面及基本的建立新的cell文件等基本过程； 2.完成两级运算放大器电路的设计； 3.利用Cadence的仿真环境得到波形，分析仿真结果。 该电路设计采用上华CSMC0.5umCMOS工艺设计，工作电压5V。 三、实验原理 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。 1.共模抑制比：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，其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，称为共模抑制 比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR 来表示，符号为Kcmr，单位是分贝db。 2.共模输入范围：是指在差分放大电路中，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。 3.电源抑制比：是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量 （以伏为单位）的比值(PSRR)，常用分贝表示。通常把满量程电压变化 的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。 4.输出摆幅：指的是，当输出信号为电压的时候，外部量的变化引起的输 出电压变化。对于无源器件，这个变化通常是从某个负电压到某个正电 压。而对于有源器件，这个变化是相对于某个固定电压，做一定幅度的 上下偏移。（无源器件也可以看作是相对电压0做偏移）。 四、实验步骤 1、登陆到UNIX系统。 在登陆界面，输入用户名stu01和密码123456。 2、Cadence的启动。 登录进去之后，点击Terminal出现窗口，输入icfb命令，启动Cadence软件。 3、根据设计指标及电路结构，估算电路参数。 4、利用Candence原理图的输入。 （1）Composer的启动。在CIW窗口新建一个单元的Schematic视图。 （2）添加器件。在comparator schematic窗口点击Add-Instance或者直
目录 1. 设计指标 (1) 2. 运算放大器主体结构的选择 (1) 3. 共模反馈电路（CMFB）的选择 (1) 4. 运算放大器设计策略 (2) 5. 手工设计过程 (2) 5.1 运算放大器参数的确定 (2) 5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2) 5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3) 5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3) 5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3) 5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3) 5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3) 5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4) 5.1.8 确定偏置电压 (4) 5.2 CMFB参数的确定 (4) 6. HSPICE仿真 (5) 6.1 直流参数仿真 (5) 6.1.1共模输入电压范围（ICMR） (5) 6.1.2 输出电压范围测试 (6) 6.2 交流参数仿真 (6) 6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6) 6.2.2 共模抑制比（CMRR）的仿真 (7) 6.2.3电源抑制比（PSRR）的仿真 (8) 6.2.4输出阻抗仿真 (9) 6.3瞬态参数仿真 (10) 6.3.1 转换速率（SR） (10) 6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11) 7. 设计总结 (11) 附录（整体电路的网表文件） (12)
采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计 1. 设计指标 5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V V V V V V GB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mW μ>==?== >=±=?≤的范围 2. 运算放大器主体结构的选择 图1 折叠式共源共栅两级运算放大器 运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看, 有套筒 式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。本设计采用的是如图1所示的折叠式共源共栅两级运算放大器，采用折叠式结构可以获得很高的共模输入电压范围，与套筒式的结构相比，可以获得更大的输出电压摆幅。 由于折叠式共源共栅放大器输出电压增益没有套筒式结构电压增益那么高，因此为了得到更高的增益，本设计采用了两级运放结构，第一级由M0-M10构成折叠式共源共栅结构，第二级由M11-M14构成共源级结构，既可以提高电压的增益，又可以获得比第一级更高的输出电压摆幅。 为了保证运放在闭环状态下能稳定的工作，本设计通过米勒补偿电容Cc 和调零电阻Rz 对运放进行补偿，提高相位裕量！ 另外，本文设计的是全差分运算放大器，与单端输出的运算放大器相比较，可以获得更高的共模抑制比，避免镜像极点及输出电压摆幅。 3. 共模反馈电路（CMFB ）的选择 由于采用的是高增益的全差分结构，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差动反馈来达到稳定，因此，必须增加共模反馈电路（CMFB ）来检测两个输出端
运算放大器的电路仿真设计 一、电路课程设计目的 错误!深入理解运算放大器电路模型,了解典型运算放大器的功能,并仿真实现它的功能; 错误!掌握理想运算放大器的特点及分析方法(主要运用节点电压法分析）； ○3熟悉掌握Muｌtisiｍ软件。 二、实验原理说明 （1）运算放大器是一种体积很小的集成电路元件,它包括输入端和输出端。它的类型包括:反向比例放大器、加法器、积分器、微分器、电 压跟随器、电源变换器等. （2） (３)理想运放的特点:根据理想运放的特点,可以得到两条原则： (a）“虚断”:由于理想运放,故输入端口的电流约为零，可近似视为断路,称为“虚断”。 （b)“虚短”:由于理想运放Ａ,，即两输入端间电压约为零,可近似视为短路,称为“虚短”. 已知下图，求输出电压。
理论分析: 由题意可得:(列节点方程) 011(1)822A U U +-= 0111 ()0422 B U U +-= A B U U = 解得: 三、 电路设计内容与步骤 如上图所示设计仿真电路. 仿真电路图：
V18mV R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 0.016 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 0.011 V + - 根据电压表的读数,， 与理论结果相同． 但在试验中，要注意把电压调成毫伏级别，否则结果误差会很大, 致结果没有任何意义。如图所示,电压单位为伏时的仿真结 果:V18 V R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 6.458 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 4.305 V + - ，与理论结果相差甚远。 四、 实验注意事项 1)注意仿真中的运算放大器一般是上正下负,而我们常见的运放是上负下正,在仿真过程中要注意。
实验七多级交流放大器的设计 一．实验目的 1．学习多级交流放大器的设计方法。 2．掌握多级交流放大器的安装、调试与测量方法 二．预习要求 1．根据教材中介绍的方法，设计一个满足指标要求的多级交流放大器，计算出多级交流放大器中各元件的参数，画出标有元件值的电路图。 2．预习多级交流放大器的调试与测量方法，制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。 三．实验原理 当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。由于交流放大器的级与级之间可以采用电容耦合方式，所以不用考虑运算放大器的失调参数和漂移的影响。因此，用运算放大器设计的交流放大器具有组装简单、调试方便、工作稳定等优点。 如果需要组成具有较宽频带的交流放大器，应选择宽带集成放大器，并使其处于深度负反馈。若要得到较高增益的宽带交流放大器，可用两个或两个以上的单级交流放大器级联组成。 在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，应选择宽带运算放大器，并使它处于深度负反馈。由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的。由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。 四．设计方法与设计举例 1．设计方法与步骤： 169
170 （1）确定放大器的级数n 根据多级放大器的电压放大倍数A u Σ和所选用的每级放大器的放大倍数A ui ，确定多级 放大器的级数n 。 （2）选择电路形式 （3）选择集成运算放大器 先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW ，计算出每级放大 器的带宽。 ui Hi A BW f = （1） 并按（2）式算出。 121 ' -=n Hi Hi f f （2） 多级放大器的总带宽H f 必须满足： 'Hi H f f ≤ （3） 若'Hi H f f >，就不能满足技术指标提出的带宽要求，此时可再选择增益带宽积更高的 运放。一直到多级放大器的总带宽H f 满足（3）式为止。 当所选择的运放满足带宽要求后，对末级放大器所选用的运放，其转换速率R S 必须满足： om R U f S ?≥max 2π （4） 否则会使输出波形严重失真。 （4）选择供电方式 在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双电源供电方式。单电源供电与正 负双电源供电的区别是：单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。 （5）计算各电阻值 根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入 电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二级的输入电阻和负反馈支路的电阻。按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。 （6）计算耦合电容 当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦 合电容可按下式计算。 i L R f C π2)10~1(= （5） 上式中，i R 是耦合电容C 所在级的输入电阻。类似地输出电容可按下式计算。 L L R f C π2)10~1(= （6） 2．设计举例
全差分运算放大器设计 岳生生（200403020126） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11 1357 113 51 3 57 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=-+ 第二级增益 9 2 2 9112 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- + 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r = = ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：
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
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.
二级运算放大器
哈尔滨理工大学 软件学院 模拟IC课程设计报告 课程模拟IC设计 题目二级运算放大器 专业集成电路设计与集成 班级集成10-2班 学生唐贝贝 学号1014020227 指导老师陆学斌 2013年6月14日 目录 1.课程设计目的………………………………………………… 2.课程设计题目描述和要求……………………………………
3.课程设计具体内容…………………………………………… 3.1 设计过程分析…………………………………………… 3.2使用软件………………………………………………… 3.3 原理图…………………………………………………… 3.4 仿真网表………………………………………………… 3.5波形分析………………………………………………… 4.心得体会……………………………………………………… 一、课程设计目的 1.熟悉并掌握Hspice与cosmosScope软件的使用。 2.熟练应用Hspice仿真网表并修改分析网表，学会用comosScope查看 分析波形。 3.锻炼学生独立完成二级运算放大器的能力。 4. 在扎实的基础上强化实践能力，把模拟IC理论实践化。 二、课程设计题目描述和要求 设计指标： 静态功耗：小于5mw 开环增益：大于70dB 单位增益带宽大于5MHz 相位裕量：大于60度 转换速率（SR）大于20V/us 共模抑制比：大于60dB 电源抑制比：大于70dB
输入失调：小于1mV 负载电容：2-4pF 要求： 1、手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确，保证每个晶体管的正常工作状态。 2、使用Hspice工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性（低频增益，相位裕度，单位增益带宽）、CMRR、PSRR、共模输入输出范围、SR 等。 3、每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按不及格处理。 4、完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表，仿真结果。 5、相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看HSPICE手册。 三、课程设计具体内容 3.1理论计算： 3.2原理图
实验报告 课程名称：电子电路设计与仿真 实验名称：集成运算放大器的运用 班级：计算机18-4班 姓名：祁金文 学号：5011214406 实验目的 1.通过实验，进一步理解集成运算放大器线性应用电路的特点。 2.掌握集成运算放大器基本线性应用电路的设计方法。 3.了解限幅放大器的转移特性以及转移特性曲线的绘制方法。 集成运算放大器放大电路概述 集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分……）上，故被称为运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性价能地价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。 反相比例放大电路
输入输出关系: 输入电阻: Ri=R1 反相比例运算电路 反相加法运算电路 反相比例放大电路仿真电路图 i o V R R V 12-=i R o V R R V R R V 1 212)1(-+=
压输入输出波形图 同相比例放大电路 输入输出关系: 输入电阻: Ri=∞ 输出电阻: Ro=0 同相比例放大电路仿真电路图 i o V R R V )1(12+=R o V R R V R R V 1 2i 12)1(-+ =
电压输入输出波形图 差动放大电路电路图
差动放大电路仿真电路图 五：实验步骤： 1.反相比例运算电路 （1）设计一个反相放大器，Au=-5V，Rf=10KΩ，供电电压为±12V。 （2）输入f=1kHz、ui=100mV的正弦交流信号，测量相应的uo，
两级运算放大器实验报告 一、实验名称：两级运算放大器 二、实验目的： 1.熟悉掌握Orcad captureCIS的使用方法以及常见的仿真方法和参数设置。 2.利用Orcad captureCIS设计两级运算放大器，并完成要求功能。 3.掌握运算放大器中的增益、带宽、输出摆幅、压摆率、速率、噪声等各个参数之间的折中调试。 三、实验步骤： （一）参数要求： 1.电源电压VCC= 2.7V. 2.CL=10pF. 3.增益Ad>80dB. 4.增益带宽积GW>5M. 5.共模电压输入范围ICMR=1~2V. 6.共模抑制比CMRR>70dB. 7.输出电压摆幅>2V. 8.diss<1mW. 9.SR>10V/us （二）实验步骤及数据： （1）由参数要求，共模电压输入范围为1~2V，电源电压为2.7V，Pdiss<1mW，由这些参数以及相位余度要为60度，由相应的公式估算出来，电路如图所示： 如电路所示，为一个差分输入级与共源放大器组成，采用了密勒补偿，按照计算步骤确定各个元件参数之后，下边进行仿真验证与调试。 （2）交流仿真验证增益带宽是否满足，仿真结果如图所示：
如图结果，增益Av=82dB，增益带宽积GW=6.6M，相位裕度有42度，满足要求，并且还有一定的余量。 （3）交流仿真验证共模电压输入范围ICMR与共模抑制比CMRR是否满足要求，仿真电路如图所示： 1、在仿真验证CMRR之前，先做了一个增益随共模输入电压的变化曲线，大致了解共模电压输入范围，结果如图所示： 如图所示，增益在大于80dB时，共模电压输入范围为0.96V~2.66V，能达到要求，且还有余量。 2、现在仿真验证一下CMRR随共模电压的变化曲线，需要更改仿真电路图，更改的电路图如图所示：
实 验 报 告 册 指导教师邱刚 课程名称模拟电子技术基础 实验名称集成运算放大器的设计 实验类型设计 学院名称电子与信息工程专业电子与信息工程 年级班级 2011级电信3班学生姓名赵明贵 学号 201107014314 成绩 2012年11月29日
实验四集成运算放大器的设计 运算放大器应用电路的设计与制作 一．实验目的 1.掌握运算放大器和滤波电路的基本工作原理； 2.掌握运用运算放大器实现滤波电路的原理方法； 3.会用Multisim10对电路进行仿真分析； 二．实验内容 1.讲解运算放大器和滤波电路的基本工作原理； 2.讲解用运算放大器实现滤波电路的原理方法； 3.用Multisim10对二阶有源低通滤波电路进行仿真分析； 三．实验仪器 Multisim10软件;电阻若干，导线若干，线路板一块，ua741运放两个，万用表，实验箱。 四．实验原理 集成运算放大器是高增益的直流放大器。在它的输入端和输出端之间加上不同的反馈网络，就可以实现各种不同的电路功能。可实现放大功能及加、减、微分、积分、对数、乘、除等模拟运算及其他非线性变换功能；将正、负两种反馈网络相结合，还可具有产生各种模拟信号的功能。 本实验着重以输入和输出之间施加线性负反馈网络后所具有的运算功能进行研究。理想运放在线性运用时具有以下重要特性： （1）理想运放的同相和反相输入端电流近似为零，即。 （2）理想运放在作线性放大时，两输入端电压近似相等，即：。 1.反相放大器 信号由反相端输入，电路如图3-1所示。在理想条件下，放大器的闭环增益。 增益要求确定之后，与的比值即确定，在选择其值时需注意：与不
集成运算放大器放大电路仿真设计 1集成运算放大器放大电路概述 集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分……）上，故被称为运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性价能地价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。 2 电路原理分析 2.1 电路如图1所示 R1 10kΩV1 500mV U1A TL082CD 3 2 4 8 1 R2 9.1kΩ RF 100kΩ V2 12 V V3 12 V XMM1 1 此电路为反向比例运算电路，这是电压并联负反馈电路。输入电压V1通过电阻R1作用于集成运放的反相输入端，故输出电压V0与V1反相。 图2 仿真结果图 输入输出关系理论输仿真输出值电路功能
其中 1 //2R RF R = 2.2电路如图3所示 R1 10kΩ Ui2 200mV U1A TL082CD 3 2 4 8 1 R24.7kΩ RF 100kΩ V212 V V312 V XMM1 Ui1 100mV R310kΩ 3 此电路为反相求和运算电路，其电路的多个输入信号均作用于集成运放的反相输入端，根据“虚短”和“虚断”的原则，0==p N u u ，节点N 的电流方程为F i i i =+31 所以)1 2 31( 0R Ui R Ui RF U +-= 输入输出关系 理论输出值 仿真输出值 电路功能 )1 2 31( 0R Ui R Ui RF U +-= -3V 2.999V 反相求和放大电路 其中RF R R R //3//12= 2.3电路如图5所示 出值 11 0V R RF V -= -5V -5V 反相比例运算电路
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。
运算放大器应用电路的设计与制作 运算放大器 1.原理 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U -对应的端子为“-”，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。U +对应的端子为“＋”，当输入U +单独由该端加入时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。 输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。 在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。 理想运放在线性应用时的两个重要特性 输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 运算放大器的应用 (1)比例电路 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为： 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻 R ’＝R 1 // R F 。 输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端: 图4 同相比例电路电路图 i 1 f O U R R U -=