标准工艺的低压跨导放大器设计.docx
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标准工艺的低压跨导放大器设计
北京信息科技大学
毕业设计(论文)
题目:
标准工艺的低压跨导放大器设计
摘要(中文)
由于跨导放大器技术的飞速进步,CMOS电路向着低压、低功耗、小尺寸方向发展,使得电压低、功率小CMOS电路成为目前研究的热点。
CMOS跨导运算放大器的特点是电路结构简单,输出阻抗高,输出量是电流且不随负载变化;高频性能好,带通宽,增益通过控制端连续可调,所以基于CMOS电流输出的跨导运算放大器的仿真设计研究具有重要现实意义和应用价值。
本次毕业设计要求是基于中芯国际SMIC0.18微米标准工艺实现一个低压跨导运算放大器电路,以Cadencevirtuso平台下完成电路原理图搭建、理论推导结果、电路仿真、电路调试以及最终后端版图生成相关工作,最终电路在1.8V电源电压下实现电压增益大于20dB,静态功耗小于300微瓦,达到了毕业设计要求。
关键词:
跨导放大器;电路图;版图;Cadence
摘要(英文)
Becauseoftransconductancetechnologyrapidprogress,Generationofoperationaltransconductanceamplifiersarefaster,biggerrangeofinputandoutputspeedstowardabetterhigh-frequencyperformance,lowerpowerconsumptionandotherdirection.Thetransconductanceoperationalamplifiercircuitischaracterizedbysimplestructure,highoutputimpedance,theoutputdoesnotchangewiththeloadcurrent,high-frequencyperformance,widepassband,thegaincontinuouslyadjustableviathecontrolterminal,thestudyhasatransconductanceamplifierbecomesimportantpracticalsignificanceandvalue.
ThegraduationrequirementsarebasedonSMICSMIC0.18micronstandardprocesstoachievealowtransconductanceoperationalamplifiercircuittobecompletedundertheCadencevirtusoplatformtobuildcircuitschematics,thetheoreticalfindings,circuitsimulation,circuitdebuggingandfinalback-endlayoutgeneraterelevantwork,thefinalcircuitat1.8Vsupplyvoltageforvoltagegaingreaterthan20dB,thestaticpowerconsumptionoflessthan300microwatts,reachinggraduationrequirements.
Keywords:
Operationaltransconductanceamplifierto;circuitdiagram;layout;Cadence
目录
摘要(中文)Ⅰ
摘要(英文)Ⅱ
第一章:
放大器的历史发展-1-
1.1 毕业设计的相关背景及研究现状-1-
1.2课题研究重要意义及目的-3-
1.3论文结构和主要内容-4-
第二章 跨导运算放大器的基本原理-5-
2.1 OTA的基本概念和理想模型-5-
2.2 CMOS-OTA基本电路模型及工作原理-6-
2.3本章小结-7-
第三章CMOS跨导运算放大器电路设计及模拟仿真-7-
3.1放大器的电路设计-7-
3.1.1参数设定-8-
3.2放大器电路的模拟仿真-13-
3.2.1理论推导结果(放大器电压增益,输入噪声及静态功耗)-13-
3.2.2仿真波形-14-
3.2.3SPICE网表及分析-15-
3.3本章小结-23-
第四章CMOS跨导运算放大器的版图设计-23-
4.1 版图设计规则-24-
4.2 具体版图的设计-24-
4.3本章小结-25-
结论-25-
结束语:
-26-
参考文献-28-
致谢:
-29-
第一章放大器的历史发展
1.1 毕业设计的相关背景及研究现状
从20世纪末期开始,科学技术的发展有了一个质的飞越,而其中运算放大器的快速崛起更是使电子信息产业的发展上升到了一个新的高度。
关于运算放大器,它一直以来都处在电子技术行业的前端,因为它应用于生活的各个方面,所以具有很强的需求性,种种原因使得它的发展十分迅速而且技术的更新也非常的快[1]。
在1947年,Ragazzini将一种相对于其他放大器类型有所不同的放大器命名为运算放大器,简单的叫法是称为运放。
当对外部的元器件进行合适的选择和应用时,运算放大器能够完成很多的运算(积分、加、减、微分、放大)[2]。
在最开始的时候,运算放大器非常的不方便于正常的生产及应用,其原因在于运算放大器皆是由真空电子管制作合成的,而这样一来就使得运算放大器具有很大的缺点,比如体积大、重量大,而且耗电量大、价格十分昂贵等。
到了20世纪50年代时,经过一段时间的研究,人们研制出了低压电子管,而低压电子管的发明使得运算放大器的体积大大减小。
而在60年代时,人们经过不懈努力与探索,终于发明了晶体管,这一发明使得运算放大器的体积达到了一个里程碑的状态,他的体积可以达到数立方英寸[3]。
可是在这之后,集成电路运算放大器的开发使运算放大器的发展有上升了一个高度。
由于当今世界经济竞争日益激烈,各个国家都在努力通过科技的发展来带动经济,而运算放大器更是影响着经济的发展、社会各个方面的兴衰、国家的安全保障。
近几年来,对于运算放大器的创造研究取得了突破性的成果,而这一成果也使得国际IC设计上升到了一个新的高度。
对于电子工艺中的模拟信号处理,它包含许许多多的模块,而在这些模块当中,运算放大器无疑是最重要的一环,它拥有着相当高的性能参数和指标,这使得它可以优化电路的设计[4]。
对于每一个电路设计者来说反馈网络是需要去遵守的一个原则,而对于放大器增益的提高则是一直以来研究的重中之重,因为高增益的放大器运用的范围非常的广。
其实来讲,运算放大器的种类非常的繁多,如果是按照信号的输出形式可以分成两种,分别是电压型运算放大器和电流型运算放大器。
电压运算电路实现放大的功能是通过对输入信号的调控来实现放大的,它的输入信号和输出信号都是电压。
可是随着后来社会的进步,科学技术也在以非常高的速度向前发展,而在此时,电压运算放大器的一些缺点就体现出来了,当电压运算放大器处于频率较高,速度较快,低压的情况下时,放大功效就会不那么明显,随之而来的缺点也显示了出来[5]。
在发现这一制约因素之后,解决它成为了很多放大器设计者需要面对的一个难题。
随着时间的推移,研究者们终于发明了电流运放电路,这一电路的发现,使得电压运放的缺点不复存在。
而电流运放电路也拥有很多优点,这使得很多设计者都立志于研究设计电流运算电路,并由此设计出了很多特别的电路结构[6]。
近段时间以来,在模拟信号处理技术中最受人关注,最受谈论的莫过于电流运放电路技术。
因为电流运放电路的流行,随之引发了很多的效应,而一大批高性能放大器也随之产生[7]。
进入21以来,工艺方面对于电子运算放大器的需要越来越大,正因为如此,才产生了所谓的跨导运算放大器,并且因为这种放大器已经在技术层面获取了很多的吸收和突破,这使得电流运算放大器拥有了很多新的元素[8]。
最近一段时间,学术界都在讨论这种具有很大发展空间的OTA,原因有以下三个方面:
第一个是因为OTA的输出量和通常的放大器是不一样的,它的输出是电流的输出。
二是因为OTA的电路结构都相对简单,高频性能好,能以连续时间方式对高频信号进行处理;三是因为OTA新增添了控制端,学术上称为信号控制端,它的功能是可以连续调节电路的增益[9]。
在近十年中,已经有很多公司推出了具有较高性能的OTA,如Mierochip Technology推出的一种双极型双跨导运算放大器XR-13600。
它的输入端采用了一种全新的二极管,这一改变使得线性度有了很大的提高,而且信号的输入范围也有了增加;而在输出端,它采用了达林顿电压跟随器输出级,这使得它具有两种输出端(高阻和低阻),这使得XR-13600具有很多优点,最高摆率可达50v/µs[10]。
在2005年,Analogzone公司推出了一款名为CA3080型跨导运算放大器。
这种放大器设置了偏置电流端, 它在自身的控制端加了很多不同的信号,而这以改变使得它改变OTA的特性。
从而使电路达到最佳的工作状态,使用非常灵活多变[11]。
2010年,Maxim公司研制出了两种新型的跨导放大器,市场上取名为MAX435和MAx436,这两种放大器具有相同点,也有不同点,相同点在于他们都使用差分高阻抗输入端,不同点在MAX435采用两个差分输出端,MAX436则是单端输出,而这些因素使得这两种放大器具有突出的优点:
能在不加任何反馈的情况下提供准确而稳定的电流增益,高速、通频带宽[12]。
在国内,专家刘凯和邵丙铣在2002年时提出了一种全新的两极CMOS-OTA,它具有低电压及输入输出均为全摆幅的特点[13]。
在跨导运算放大器的弱反型区,由于输入级被偏置,这样就是电路的静态功耗大大的减小。
而为了跨导运算放大器的输出电压全摆幅,使用甲乙类共源为输出级[14]。
为了使跨导运算放大器的输入电压的线性范围更加的广,他们使用源减生CMOS的方法,用此种方法来引入交流负反馈。
跨导运算放大器的电流输出级采用的是差分有源负载,并采用全平衡结构。
它的优点是:
高频特性良好,线宽范围大,共模抑制比大,电源电压抑制比大,有效地减小失调电压和漂移。
在2007年,西安电子科技大学程春来、柴常春提出了一种低压低功耗CMOS折叠-共源共栅跨导运算放大器[15]。
为了优化输入共模范围、提高增益,输入级采用折叠-共源共栅结构;输出级采用AB类推挽,优点是全摆幅输出,大大降低了功耗。
在年,西安微电子技术研究所周游、王云、刘智设计了一种高增益恒跨导CMOS运算放大器。
在亚阈值区,采用互补差分形式输入结构,不仅工作电压降低了,而且电源利用率提高了[16]。
另外,为了使输入跨导在输入共模范围内恒定,采用了电流开关。
中间级为CMOS差分结构,同向驱动输出级使用推挽结构,提高了增益。
从这些年来放大器的发展来看,新一代的跨导运算放大器正朝着运行速度更快、输入输出范围更大、高频性能更好、功耗更低等方向发展。
模拟集成电路包含很多单元,可是跨导运算放大器可以说是其中一个最重要的基本单元。
随着CMOS工艺的不断进步,集成度越来越高、电源电压和特征尺寸持续减小,前期研制的OTA已经得到了广泛的应用,一批新型的OTA正逐渐投入市场,还有一些新型OTA电路正在研究中。
OTA已经发展成为速度快、频带宽、电压低的新兴运算放大器,为IC产业蓬勃发展奠定了坚实的基础[17]
1.2课题研究重要意义及目的
跨导运算放大器的制作工艺很常见,采用的是双极型集成工艺。
当然它具有很多的功用,从信号处理来看,它即可以在线性电路和系统中进行信号计算和处理,也可以在非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理;另一方面,它可以作为一种接口电路,以此来连接电压和电流模式的信号处理系统,从而将输入电压信号转化成电流信号,紧接着进入电流模式系统进行处理[18]。
所以,我们可以看出,因为科技技术的不断进步,跨导运算放大器的运用范围会越来越广泛,因为它的优点确实很突出。
以下列举了跨导运放相对于其它放大器所独有的特点:
(1)信号输入是低阻抗、信号输出是高阻抗。
(2)电源电压低,功耗小。
(3)放大能力弱。
跨导型放大器实现的是输入电压信号对最终输出信号的整体控制。
而普通的放大器实现则是普通的电压信号的放大。
(4)跨导型运算放大器的整体构造与其他放大器相比相对较为简单。
当输入端的电压信号输入在变为电流信号之后,这时,放大器的输出端就可以得到电流信号。
不仅是这样,对于跨导运算放大器的阻抗也不会发生变化。
这使得电路在处理各种信号时容易识别,带来了极大的方便,从而使得电路的整体结构更加简易。
(5)带宽与其它放大器相比还是挺高的。
对于跨导运算放大器,之前已经提到,它的输入端的信号是电压,而输出端的信号则是电流,目前市场的主要电子器件的输出量也是电流,当器件的输入端将电压信号转变为电流信号后,会将此信号送入后级晶体管进行放大处理,同时将已经由器件放大的电流信号运送到输出端。
(6)运放速度比较快。
对于一个电路来说,它的电路工作受很多方面的影响,而晶体管极间电容的影响则是很显著地,在阻抗水平很低的节点上极间电容开始工作。
不仅低阻抗节点上的电压摆幅很小,而且阻容时间常数也很小,当电流信号很大时,极间电容可以在很短的时间内充、放电。
(7)增益与偏置电流成正比。
对于放大器增益的调节是可以通过调节偏置电流而改变的。
因此,我们可以知道,不仅仅只是输入电压可以控制输出端的输出电流,而且偏置电流也可以控制输出的电流大小[19]。
总而言之,统而言之,以现在市场的情况来看,跨导运放的优点已经得到了相对广泛的应用,所以本文将对跨导运放的理论进行探讨,对其结构进行优化设计,设计一个跨导运算放大器。
本文预期设计的目标为:
电压增益>20dB、输入噪声≤-20dB、静态功耗<300uW。
1.3论文结构和主要内容
第一章主要介绍了毕业设计的相关背景及研究现状、毕设论文的意义,还有就是跨到运算放大器国内外的发展情况。
此外也介绍了跨到运算放大器的特点及用途。
第二章主要介绍了OTA的基本概念和理想模型,还简单的介绍了所用软件的信息和功能。
第三章主要介绍了本文所选择的低压跨导放大器电路结构图,列举了调试的过程,以及最终器件的参数。
第四章介绍了在设计版图时要遵循的规则,在最后给出整体版图的最终形态。
第二章 跨导运算放大器的基本原理
2.1 OTA的基本概念和理想模型
跨导运算放大器是近些年来一直被研究发展的一种放大器,它的输入信号是电压,而输出信号是电流,其实来讲,它功能的本真是电压控制的电流源。
而其中增益是衡量该放大器放大功能的一个重要指标,具体的计算方式输出电流与输入电压的比值,跨导跨导运算放大器中的跨导其实就是增益,放大器分别在输出端和输入端测量输出电流和输入电压,但是因为测量并不是在相同的点,我们把这种放大器称为跨导型运算放大器(Operational Transconductance Amplifier,简称OTA)。
图2.1OTA的电路符号
图1所示的是OTA的电路符号。
“+”号表示的是同相输入端,“-”号代表的则是反相输入端。
I0表示的输出电流,Iabc表示的是偏置电流,而我们可以通过调节Iabc从而来控制OTA的增益。
=-
在这个公式中Vid指的是差模输入电压,Vp、Vn分别是同相端与反相端电压,gm代表的是增益。
我们通常说理想跨导放大器实现的条件是输入和输出电阻都为无穷大。
2.1.2 OTA的理想模型
下图所示的是OTA的小信号理想模型。
图2.2OTA理想模型
在2.2图中,Vi+和Vi-这两个输入端是断开的,这样的情况就使得差模输入电阻是无穷大的。
理想跨导放大器的条件是:
输入失调电压以及输入失调电流及等等参数的数值均为0,而共模输入电阻、共模抑制比、频带宽度等参数均为无穷大。
2.2 CMOS-OTA基本电路模型及工作原理
OTA 电路有许多新颖的设计结构,可以很方便的组成其他的应用电路。
低的输入阻抗、高的输出阻抗是OTA的重要特性,而且输出电流不随负载电阻的变化而变化;放大能力较弱,在开环或非深度负反馈状态下正常工作;通频带宽,能够在高频下很好的工作;新添加一个增益控制端,可以实现增益参数连续;电路结构简单,容易设计、制造。
跨导运放有双极型和CMOS两种类型,并且有一个相同点,即都是线性电压控制电流源。
随着CMOS工艺技术和电路设计理论的发展,这两种类型在性能上产生了一些不同。
这几年来,CMOS跨导运算放大器受到了越来越大设计者的重视,成为当前研究的热点。
与双极型OTA相比,一般也由跨导输入级和电流镜组成,CMOS-OTA的增益可调范围较小,但它有高输入电阻、低功耗、热稳定性好的性能,更加适合于超大规模集成电路系统中的应用。
基于以上比较,本论文选择了CMOS-OTA进行电路设计及仿真。
在模拟信号处理领域,CMOS跨导运算放大器作为一个基本的电路模块优化了电路结构。
CMOS电路有很高的输入阻抗,级间相连十分简单,在大规模集成时实现了其重要的使用价值。
因而与双极型OTA相比,在集成电路和集成系统中CMOS-OTA发挥了更大的作用,使模拟集成电路又迈出了前进的步伐。
CMOS-OTA的结构框图如图2.3所示:
图2.3CMOS-OTA的结构框图
2.3本章小结
本章主要介绍了跨导运算放大器相关的工作原理,介绍了它的基本模型,还有就是关于理想跨导放大器的条件。
本质上来讲,跨导运算放大器的输入端是电压信号,而输出端是电流信号。
第三章CMOS跨导运算放大器电路设计及模拟仿真
我们知道,跨导运算放大器一般都是两级放大,但是它的结构形式却是有很多。
但是对于很多放大结构来说,无论设计的复杂与否,它们对于控制运算放大器的高阶极点都很难控制,这就使得带宽很不稳定,极点频率由负载电容决定,从而使得其带宽较小,跨导比较低,速度也比较低,而且消耗的功耗也会比较大,共模抑制比和电源抑制比都十分的不好。
放大器结构中的折叠-套筒结构是其中比较有代表性的。
而且它的功耗也很低。
但是他也是有缺点的,比如说在低电源电压下,它输出的共模输入范围和输出摆幅都很难以达到理想的效果。
而放大器结构中的折叠共源共栅结构则改进了两级运算放大器中的电源电压抑制特性和折叠-套筒结构的输入范围,它有一个非常显著地优点,优点在于它有一个推挽输出,这使得它可以灵活的向负载提供电流或从负载得到电流。
当我们从应用角度来看时,我们设计的跨导运算放大器将用于更低的电源电压,要求尽可能大的输出摆幅和输入共模范围,较快的速度,故采用了折叠-共源共栅结构。
3.1放大器的电路设计
以Cadence为平台,实现电路搭建,实现电路的仿真调试,重点及难点在于电路的设计,以及电路中MOS管的参数设置,要使得它的仿真结果达到电压增益>20dB、输入噪声≤-20dB、静态功耗<300uW。
图3.1电路设计图
对于设计电路的设计原则,主要是根据要求的增益,噪声等具体参数来设计的。
最终所画电路图:
我所设计出的是一个二段的放大器
第一段为折叠后的共源级结构M4M6为共源共栅级结构(VB2选取恰当)
可看成是信号经M0M1共源极结构放大后再经由M4M6commongrille再次放大
第二段M9M10为正常的共源极
Cc是miller电容,使放大器稳定
M3M5M10为一组currentmirror
M7M8为一组currentmirror
3.1.1参数设定
为了使每一个MOS均处于饱和的状态,于是先采取固定mos管尺寸,来调试出合适的电压。
各个输入端的参数设置如下:
Vin-:
Vin+
VB1:
VB2:
对于输入端VB0,因为它起到的是一个电流源的作用,所以我在实际画电路时将他换为了电流源。
转变为如下
对于各个mos管的尺寸都是初始值:
对于各个参数的设定是经过不断调试的,从最底端的电压开始推起,使得NMOS管的VGS>VTH,VGD
3.2放大器电路的模拟仿真
3.2.1理论推导结果(放大器电压增益,输入噪声及静态功耗)
一.对于运算放大器的噪声的分析方法有各种各样的方式,通常我们使用的方法是根据运放数据表上的数据计算出运放电路峰峰值输出噪声。
通常在介绍有关方法的时候,我们所用的算式适用于最简单的运算放大器电路。
而对于那些相对比较复杂的电路而言,这些算式也有助于我们大致了解可预见的噪声输出情况。
我们也可针对这些更复杂的电路提供较准确的计算公式,但其中涉及的数学计算将更为复杂。
对更复杂的电路而言,或许我们最好应采用三步走的办法。
首先,用算式进行粗略的估算;然后,采用 spice 仿真程序进行更准确的估算;最后通过测量来确认结果。
我们将以 TI OPA277 的简单非反向放大器为例来说明有关电路的情况(见图3.2)。
我们的目标是测定峰峰值输出噪声。
为了实现这一目的,我们应考虑运算放大器的电流噪声、电压噪声以及电阻热噪声。
我们将根据产品说明书中的频谱密度曲线来确定上述噪声源的大小。
此外,我们还要考虑电路增益与带宽问题。
图3.2
首先,我们应了解如何将噪声频谱密度曲线转换为噪声源。
为了实现这一目的,我们需进行微积分运算。
简单提醒一句,积分函数确定曲线下方的面积。
图3.4显示,我们只须将长宽相乘(即矩形区域面积),便能获得常数函数的积分。
这种转换频谱密度曲线为噪声源的关系比较简单。
图3.4
二.运算放大器增益的提高是要进一步增加输出阻抗而不增加更多的共源共栅器件。
3.2.2仿真波形
3.2.3SPICE网表及分析
MOS管详细参数:
Instance:
M0
Model:
n18
Primitive:
bsim3v3
d:
V(net13)=1.00517V
g:
V(VIN-)=1V
s:
V(net091)=599.729mV
b:
val(0)=0
type=n
region=subth
reversed=no
ids=14.9996nA
lx4=14.9996nA
lx50=1.26062e-21A
vgs=400.271mV
vds=405.438mV
vbs=-599.729mV
vgb=1V
vdb=1.00517V
vgd=-5.1676mV
vth=571.14mV
Instance:
M1
Model:
n18
Primitive:
bsim3v3
d:
V(net17)=1.00517V
g:
V(VIN+)=1V
s:
V(net091)=599.729mV
b:
val(0)=0
type=n
region=subth
reversed=no
ids=14.9996nA
lx4=14.9996nA
lx50=1.26062e-21A
vgs=400.2
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