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版图设计实验报告一、实验名称：两级运算放大器的版图设计二、实验目的：1、掌握模拟CMOS集成电路的设计方法2、掌握模拟CMOS集成电路的版图设计方法三、实验要求：1、设计对象为单端输出的两级运算放大器电路，其性能为：（1）、负载电容为CL=15pf，负载电阻为RL=100K欧；（2）、电源VDD=5V；（3）、增益带宽积CBW大于40MHZ；（4）、增益AVO大于80DB；（5）、相位裕都PM大于65；（6）、输入摆幅大于3V，输出摆幅尽量大；2、查阅相关资料，学习模拟CMOS集成电路版图的设计技巧3、完成两级运算放大器的版图设计，注意版图的对称性和隔离的设计，完成版图的DRC 验证；4、要求设计的版图满足电路的功耗，性能，功能，面积合理，美观。
四、设计对象仿真后MOS管的宽长比如下图：备注：电阻：R1为180欧电容：C1为2.62pf五、实验步骤1、观察模型文件（.SCS文件）或通过对CMOS管点单电路的DC分析并查看MOS管的直流工作点参数，得到PMOS，NMOS的基工艺参数（TOX，Cox，VthN，VthP等）2、确定具体的设计方案3、在schematic中画出电路图4、开始设计电路的版图5、修改版图，使之通过DRC验证6、优化版图使面积合理、美观六、实验结果面积：120*180=22680（um）七、实验心得第二次做版图设计，相较上次的实习难度提升了些许，最关键的是即将步入工作的我们重拾了那些被淡化和遗忘的知识，重新刷新脑子，和团队紧密合作，细致的分工，相互的监督和检验，我们一步步的完成脑中的想法，在有限的时间内完成老师的作业，这让我们感觉就是在工作间里。
然而每一步的前进总是让我们明白我们的不足和问题，知识的模糊，对版图设计的有限了解，粗糙的设计，迟钝的软件操作，这些都让我们反思了很久也想了很多，无论如何，经过了再一次的版图设计，我还是能够感到自己的进步，无论是对知识的理解还是对学习知识的渴求，而后者让我感到格外珍贵。
lm393的工作原理
LM393是一种常用的比较器芯片，用于电路中的电压比较功能。
它具有两个比较输入引脚VIN+和VIN-，以及一个输出引脚OUT。
LM393工作原理如下：
1. 当VIN+的电压大于VIN-时，输出引脚OUT会产生高电平；
2. 当VIN+的电压小于VIN-时，输出引脚OUT会产生低电平。
具体而言，工作原理如下：
1. 比较器的两个输入引脚VIN+和VIN-都与一个内部的基准电压源Vref相连；
2. LM393的比较器使用开环放大器的结构，即没有反馈回路；
3. 当VIN+的电压高于VIN-时，Vref会被放大并输出到输出引脚OUT上，产生高电平信号；
4. 当VIN+的电压低于VIN-时，Vref不会被放大并输出到输出引脚OUT上，产生低电平信号。
由于LM393是一个开环比较器，所以它适用于需要简单的电
压参考和比较的应用，例如电池电量检测、温度控制、光强检测等。
它的工作原理简单而稳定，使用方便，因此在实际电子电路设计中被广泛应用。
模拟比较器:将模拟量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高(或低)电平.反之,则输出低(或高)电平.例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端接一电压基准(代表某一温度),当温度高于基准值时,运放输出高电平,控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加热器接通.这一运放就是一个简单的比较器,因为输入与输出同相,称为同相比较器..有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比较器,有助于消除寄生在信号上的干扰.数字比较器:用来比较二组二进制数是否相同,相同时输出(或低)高电平,反之,则输出相反的电平.最简单的数字比较器是一位二进制数比较器,是一个异或门(或同或门).电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。
利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面我给大家介绍一下，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器.1.模拟比较器将模拟量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高(或低)电平.反之,则输出低(或高)电平.例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端接一电压基准(代表某一温度),当温度高于基准值时,运放输出高电平,控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加热器接通.这一运放就是一个简单的比较器,因为输入与输出同相,称为同相比较器..有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比较器,有助于消除寄生在信号上的干扰.2.数字比较器用来比较二组二进制数是否相同,相同时输出(或低)高电平,反之,则输出相反的电平.最简单的数字比较器是一位二进制数比较器,是一个异或门(或同或门).电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
初级比较器设计一．前言本文主要包括：（1）分析说明比较器工作原理；（2）比较器的设计计算方法；（3）比较器的HSPICE模拟；（4）比较器物理版图设计实现；（5）设计文件列表说明。
传输曲线可以用数学函数表示如下：1()in in f V V +--=,()oh in in ihV when V V V +-->(),()v in in il in in ih A V V whenV V V V +-+--<-< ,,()ol in in il V when V V V +--<(0)(0)()11v v v c cA A A s s s w τ==++ 那么，我们下面就可以分析比较器的时延：根据时延的定义和()v A s ，进行拉普拉斯逆变换，得到输入为阶跃信号min in V 的时域响应如三．比较器的设计比较器的传输时延始终是我们关注的一个重点指标，以下侧重分析时延的限制因素和设计时常常引用的公式。
66()[1oh DD DS DD DD G MIN TP V V V V V V V ⇒=-=---v v2根据基尔霍夫电压环路（KVL ）和电流节点（KCL ）定理,可以得到该小信号等效电路的方程组并解得：1624676224567624675656()(1/)()()1[(')][()]out m m ds ds c m v in ds n c ds n ds ds n n c n n V s g g r r sC g A s V s s r C M C r C s r r C C C C C -==++++++M ’为密勒因子， （3）估算时延为了计算的方便，()v A s 可以采用节点时间常数近似方法估算，它的另一种表示方式如下：12(0)()(1)(1)v v A A s s s p p =++其中：低频增益161246672467(0)(//)(//)()()m m v m ds ds m ds ds ds ds ds ds g g A g r r g r r g g g g ==++，2411ds ds g g p C +=-，6722ds ds g g p C +=-，1C 为第一级输出极点5的电容，2C 为为第二级输出节点6的电容。
几种运算放大器比较器及电路的简单分析运算放大器和比较器是两种常见的电子元件，它们在电路中具有不同的功能。
本文将对这两种电子元件进行简单的分析和比较。
一、运算放大器运算放大器是一种用于放大电压信号的电子设备。
它具有高放大倍数和低失真的特点，常被用于放大微弱的输入信号。
运算放大器一般由多级放大电路组成，其中包括差动输入级、差动放大级、共射放大级和输出级。
运算放大器具有以下几个特点：1.高放大倍数：运算放大器通常具有很高的开环放大倍数，可以放大微小的输入信号。
2.低失真：运算放大器的差分输入电阻和输入容量很低，从而减小了输入信号的失真。
3.稳定性好：运算放大器具有很好的直流稳定性和交流稳定性，使其能够在不同的负载条件下稳定工作。
4.大信号驱动能力：运算放大器能够输出较大的电流和电压，可以驱动各种负载。
5.可调增益：运算放大器通常具有可调的增益，可以通过调节电阻、电容或反馈电阻等元件来改变放大倍数。
运算放大器常被应用于放大、滤波、积分、微分和开关等电路中，常见的应用有示波器、滤波器和反馈电路等。
二、比较器比较器是一种用于比较两个电压的电子元件。
它具有高增益和快速响应的特点，常被用于判断输入信号的大小关系。
比较器通常由不同类型的放大电路和判决电路组成，常见的比较器有有限增益比较器、开环比较器和比率比较器等。
比较器具有以下几个特点：1.高增益：比较器通常具有很高的增益，可以放大微小的输入差异。
2.快速响应：比较器的响应时间很短，可以快速判断输入信号的大小关系。
3.可调阈值：比较器可以通过调节电阻、电容或反馈电阻等元件，改变阈值的位置。
4.高输入阻抗：比较器的输入阻抗很高，可以减小输入电路对比较器的影响。
比较器常被应用于开关、报警、触发器和AD转换等电路中，常见的应用有电压比较器、窗口比较器等。
三、运算放大器与比较器的比较虽然运算放大器和比较器都是电路中常用的电子元件，但它们在功能和特性上有一些不同之处。
1.功能：运算放大器的主要功能是放大信号，而比较器的主要功能是比较电压。
运算放大器的开环电路运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种非常重要的电子器件，广泛应用于各种电路中，其开环电路是其工作的基础。
本文将详细介绍运算放大器的开环电路，包括其定义、特性、基本构造、工作原理以及应用。
一、定义运算放大器是一种以集成电路形式存在的差分放大器，具有高增益、宽带宽、高输入阻抗和低输出阻抗等特点。
其开环电路是指将反馈回路断开，只考虑运算放大器的输入输出关系的电路。
二、特性1. 高增益：运算放大器的开环增益很高，通常为几万到百万倍，具体取决于所选取的型号和供电电压等因素。
2. 宽带宽：运算放大器的带宽是指其在放大能力衰减到原始增益的一半时所对应的频率。
一般情况下，运算放大器的带宽可以达到几百万赫兹。
3. 高输入阻抗：运算放大器具有非常高的输入阻抗，通常在兆欧姆级别，这使得它可以接收来自外部电路的信号而对其几乎不产生损耗。
4. 低输出阻抗：运算放大器具有非常低的输出阻抗，通常在几十欧姆级别，这使得它可以驱动较大负载电流而不会引起电压的衰减。
三、基本构造运算放大器由多个晶体管、电阻和电容等元件构成。
其中，包括差动输入级、共基极级和输出级等。
在实际的集成电路中，这些元件都被集成在一块芯片上，并且通过内部的金属导线互相连接。
四、工作原理运算放大器的工作原理可以分为三种典型的工作方式：差模模式、共模模式和差动模式。
1. 差模模式：在差模模式下，运算放大器的两个输入端分别接收到不同的输入信号。
这时，运算放大器会将两个输入信号之间的差值进行放大，并将其输出。
2. 共模模式：在共模模式下，运算放大器的两个输入端接收到相同的输入信号。
这时，运算放大器会忽略两个输入信号之间的差值，只将共同的信号进行放大，并将其输出。
3. 差动模式：在差动模式下，运算放大器的一个输入端接收到正向输入信号，另一个输入端接收到反向输入信号。
这时，运算放大器会将两个输入信号之间的差值进行放大，并将其输出。
电路中的比较器设计与分析在电子电路设计中，比较器是一种常用的电路元件，用于比较输入信号，并产生输出信号以表示两个信号的关系。
比较器广泛应用于模拟电路和数字电路中，具有很高的实用性。
本文将介绍比较器的设计原理和分析方法，为读者提供一些有关电路中比较器的设计与分析的基本知识和技巧。
一、比较器的基本原理和分类比较器是一种电子设备，它的输入有两个或多个信号，而输出则是一个用于表示输入信号关系的二进制位。
比较器的基本原理是将两个输入信号进行比较，并产生相应的输出信号。
根据输入信号的类型和输出信号的形式，比较器可以分为模拟比较器和数字比较器两种类型。
1. 模拟比较器：模拟比较器适用于将输入电压信号进行比较，并产生相应的模拟输出信号。
模拟比较器的输出信号通常是一个连续变化的模拟电压信号，可以用于模拟电路中的各种应用，如比较两个模拟信号的大小、判断输入信号的高低电平等。
2. 数字比较器：数字比较器适用于将输入信号进行数字比较，并产生相应的数字输出信号。
数字比较器的输出信号通常是一个二进制位，用于表示两个或多个输入信号的大小关系。
数字比较器主要应用于数字电路或微处理器系统中，用于实现逻辑比较、数据排序和状态判断等功能。
二、模拟比较器的设计与分析模拟比较器是电路中常见的一种元件，用于对输入电压进行比较，并产生相应的输出电压。
常见的模拟比较器电路包括基本比较器、窗限比较器和振荡比较器等。
下面分别介绍这三种常见的模拟比较器电路的设计与分析。
1. 基本比较器：基本比较器是一种最简单的比较器电路，由一个比较元件和电压供应电源组成。
比较元件通常是根据输入电压产生不同输出电压的二极管或晶体管。
基本比较器的设计原理是根据输入电压与参考电压之间的关系，产生相应的输出电压。
2. 窗限比较器：窗限比较器是一种能够对输入电压进行范围限制的比较器电路。
窗限比较器通常由两个比较元件和两个参考电压组成，用于判断输入信号是否在指定的范围内。
窗限比较器的设计原理是通过比较输入电压与两个参考电压之间的关系，判断输入信号是否在指定的范围内，并产生相应的输出信号。
两级开环比较器的设计精品资料初级比较器设计一．前言本文主要包括：（1）分析说明比较器工作原理；（2）比较器的设计计算方法；（3）比较器的HSPICE 模拟；（4）比较器物理版图设计实现；（5）设计文件列表说明。
之一，当分。
1(1),ol in in il +-oh olv ih ilV V A V V -=-，为一个有限值（3）包含输入失调电压的比较器（1）小信号时延假设比较器的最小输入电压差为比较器的精度，定义比较器的最小输入电压为：min (0)oh olin v V V V A -=，其中(0)v A 为比较器的低频增益。
假设我们分析的比较器为最简单的单极点模型，它的s 域增益表示如下：(0)(0)()11v v v c cA A A s ss w τ==++ 那么，我们下面就可以分析比较器的时延：根据时延的定义和()v A s ，进行拉普拉斯逆变换，得到输入为阶跃信号min in V 的时域响应如下式：//min (0)[1](0)[1]2(0)tp c tp c oh ol oh ol v in v v V V V VA e V A e A ττ----=-=- ⇒max ln(2)0.693tp c c ττ==同理可以得到更为普遍的结果：当输入激励信号为阶跃信号min in kV ，相应得输出响应时延为：2ln()21ktp c k τ=-，显然在线性响应的情况下，增大k 可以有效的减小时延tp 。
对应的关系可以表示如下图：放电电流可以减小比较器的时延。
三．比较器的设计比较器的传输时延始终是我们关注的一个重点指标，以下侧重分析时延的限制因素和设计时常常引用的公式。
1．两级开环比较器的线性响应设计NMOS输入管两极开环比较器的电路拓扑结构如下图所示：66()[1oh DD DS DD DD G MIN TP V V V V V V V ⇒=-=--- 显然，ol ss V V =（2）两级比较器的特性 A 部分54n 2v v 的过程比较繁琐，这里仅仅说明一下如何求解(0)v A （求解()v A s 同理），求解低频增益时可以认为小信号等效电路中的所有电容为0，于是可以得到如下的方程组：所以输入节点 1和节点2的时间常数很小不可能形成主极点；节点3为共模信根据基尔霍夫电压环路（KVL ）和电流节点（KCL ）定理,可以得到该小信号等效电路的方程组并解得：1624676224567624675656()(1/)()()1[(')][()]out m m ds ds c m v in ds n c ds n ds ds n n c n n V s g g r r sC g A s V s s r C M C r C s r r C C C C C -==++++++ M ’为密勒因子， （3）估算时延为了计算的方便，()v A s 可以采用节点时间常数近似方法估算，它的另一种表示方式如下：12(0)()(1)(1)v v A A s s s p p =++其中：低频增益161246672467(0)(//)(//)()()m m v m ds ds m ds ds ds ds ds ds g g A g r r g r r g g g g ==++，2411ds ds g g p C +=-，6722ds ds g g p C +=-，1C 为第一级输出极点5的电容，2C 为为第二级输出节点6的电容。
假设输入激励信号为Vin,那么在S 域的电路响应为：Vo(s)= ()v A s Vin(s)，对它进行拉普拉斯逆变换可以得到时域的响应为：/1/2211212()(0)[1]()t t o v in p e p e V t A V t p p p p ττ--=+---，其中2416721(//),2(//)ds ds ds ds r r C r r C ττ==，根据这个时域响应可以估算比较器的线性响应传输时延，为了计算方便，对该式进行级数展开得 ：2221()(0)[1(1...)(1...)]1212n n o n v in n n t m t m V t A V t mt m m ≈--+++-++--，其中，211,1n p p tm t t p τ=== 再进一步简化得：2(0)()2n v ino n mt A V V t ≈令()()/2o n oh ol V t V V =+，解得：pn t ===1pn tp t τ⇒==，（21min,in p Vin m k p V ==），这就是估算线性线性响应传输时延的关系式。
附带说明一下如何选择摆率受限或线性响应受限来估算比较器的传输时延：为了比较线性响应受限和摆率受限，我们对/1/2211212()(0)[1]()t t o v in p e p e V t A V t p p p p ττ--=+---进行归1化处理得：()'21(0)11()1,1,111o n n n v inV t t mt o n n A V p m tV t e e m t tp m m p τ--==-+=≠==--其中:， 对上式进行两次求导并令其等于0可以得到归一化响应的最大斜率为：ln ln '11max()[]1m mm o n m m ndV t m e e dt m ----=--------------（3.1-1） 而两级开环比较器的输出摆率为：72I SR C -=-------------（3.1-2） 26676722()DD G MIN TP V V V I I ISR C C β+----==------------(3.1-3)比较（3.1-1）、(3.1-2)和（3.1-3），当min in in V V >且摆率比（3.1-1）小时，则应采用摆率来估算比较器电路的时延。
需要特别强调的是：如果是线性响应受限则极点的位置十分重要，如果是摆率受限则对电容的充放电的能力变得更为重要。
（4）设计常用公式：为设计方便，现将常用的设计公式及步骤总结如下：①276212N P p C p p I I λλ====+②667722667722,'()'()P SD SAT N DS SAT W I W I L K V L K V ==，67,SD SAT dd oh DS SAT ol ss V V V V V V =-=- ③115722C C I I C =假设一个的值，计算 ④3542343'()P SG TP W I W L L K V V ==-，3SG dd icm TN V V V V +=-+⑤2467166(0)()(),v ds ds ds ds m m m A g g g g g g g ++==2112125min ,(0)m oh ol v N in g V V W W A L L K I V -=== ⑥124624gd gd gs bd bd C C C C C C =++++22123221234412344123()2()()2()AD W L L L PD W L L L AD W L L L PD W L L L =++=+++=++=+++计算出C1，如果计算出的C1大于在第三步中假设的C1，则必须加大C1且重复3~6的步骤，直道计算出来的C1小于假设的C1为止。
⑦55512552,'()DS SAT icm GS ss N DS SAT W I V V V V L K V -=--=，如果5DS SAT V 小于100mV 则增大11W L 2．两级开环比较器的摆率响应设计 （1）设计中用到的分析方法设计中的分析法方法法和“1”部分讲解的类同，重点要理解电路的小信号等效电路，并利用根据基尔霍夫电压环路（KVL ）和电流节点（KCL ）定理来求解，并进行设计计算。
（2）时延的估算在大多数的情况下，两级开环比较器会被驱动到摆率受限，此时，传输时延由下式计算：i i i ii idv vi C C dt t ∆==∆，其中：Ci 为第i 级的对地电容，由该式可以得到第i 级的传输时延为：i i i i i V t t C I ∆=∆=，总的传输时延为ii i iV tp C I ∆=∑。
（2）设计常用公式为设计方便，现将常用的设计公式及步骤总结如下： ①2762()out oh ol dv C V V I I C dt tp-=== ②667722667722,'()'()P SD SAT N DS SAT W I W I L K V L K V ==，67,SD SAT dd oh DS SAT ol ss V V V V V V =-=- ③假设一个C1值并在以后检查 ④1151()o oh ol dv C V V I C dt tp-=≈ ⑤3542343'()P SG TP W I W L L K V V ==-，3SG dd icm TN V V V V +=-+⑥2467166(0)()(),v ds ds ds ds m m m A g g g g g g g ++==2112125min ,(0)m oh ol v N in g V V W W A L L K I V -===⑦124624gd gd gs bd bd C C C C C C =++++22123221234412344123()2()()2()AD W L L L PD W L L L AD W L L L PD W L L L =++=+++=++=+++计算出C1，如果计算出的C1大于在第三步中假设的C1，则必须加大C1且重复3~6的步骤，直道计算出来的C1小于假设的C1为止。
⑧55512552,'()DS SAT icm GS ss N DS SAT W I V V V V L K V -=--=，如果5DS SAT V 小于100mV 则增大11W L 3．复合比较器（前置线性放大级＋锁存再生级）设计上图复合比较器是钟控动态比较器，电路结构上由两级组成：前级是前置线性放大器，后级是再生锁存器。
前置线性放大器由MB 、M1、M2、M3和M4构成，再生锁存器M7、M8、M9和M10构成，而其他的M5、M6和M11是动态cou rs e_d eVo2’/s：是vo2的初值，且为阶跃信号；由小信号等效电路可以得到节点方程组如下：17921111792111111'()()()'0om m o o o m m o o o oVg g V GV sC V g g V GV sC V C Vs+++-=+++-=2810122228101222222'()()()'0om m o o o m m o o o oVg g V G V sC V g g V G V sC V C Vs+++-=+++-=⇒79179111112121111()()1''111111m m m mo o o o og g R g g RR CV V V V VsR C sR C s sτττ++=-=-++++8102810222221212222()()2''112121m m m mo o o o og g R g g RR CV V V V V sR C sR C s sτττ++=-=-++++其中：11221,2R C R Cττ==假设MOS管采用对称设计使他们的跨导相等，令：79810m m m m mg g g g g====，12,R R R==12,12C C Cτττ====，2121,''o o o i o oV V V V V V∆=-∆=-，则可以解得：12'(12)'1112ii mommVV g R VVss g R sg Rττττττ∆∆-∆∆===+-++-，其中：'12mg Rττ=-求上式的拉普拉斯逆变换的时域响应为：(12)/2///'()'m m Lt g R g Rt tto i i i iv t V e V e e V e Vττττ---∆=∆=∆≈∆=∆，即：/()L to iv t e Vτ∆=∆其中：0.342LmCg Rττ===要求锁存器级的传输时延，可以令：/()()/2Lto i oh olv t e V V Vτ∆=∆=-,解得传输时延为：ln()2oh olL iV V tp V τ-=∆，显然要改善传输时延应该从L τ和i V ∆两方面着手解决。
