目 录 前言… 第一章 运算放大器简介 §1.1运算放大器概述…3 §1.2几种不同结构的运算放大器………·5 §1.3 研究GPCAD优化方法的理由····6 第二章 MOS场效应管模型以及二级运放工作原理介绍 §2.1MOS场效应管模型· §2.2 两级运放的性能参数与约束分析 第三章 设计和仿真结果 §3.1运放性能指标… ………19 §3.2基本单元的设计和仿真结果 §3.2.1工艺参数近似值的测定 §3.2.2二级运放的设计… §3.2.3参数规格的手工验证… …………30 §3.2.4 spice仿真结果…………………………33 §3.3运放性能指标的对比（手工vs.Hspice仿真）…37 第四章 运放的几何方法优化概论 §4.1 GPCAD介绍···· §4.2 GP模型介绍…· ……39 第五章 设计讨论 §5.1 二级运放的补偿问题·· 0…………42 §5.2 设计中的不足与计划… …………45 结束语… ·…………46 参考文献 致谢 ……………………48 附录一 …………49 附录二…
1 目 录 前言·······························································2 第一章 运算放大器简介 §1.1 运算放大器概述··········································3 §1.2 几种不同结构的运算放大器································5 §1.3 研究 GPCAD 优化方法的理由······························6 第二章 MOS 场效应管模型以及二级运放工作原理介绍 §2.1 MOS 场效应管模型·······································6 §2.2 两级运放的性能参数与约束分析····························8 第三章 设计和仿真结果 §3.1 运放性能指标············································19 §3.2 基本单元的设计和仿真结果 §3.2.1 工艺参数近似值的测定································20 §3.2.2 二级运放的设计······································26 §3.2.3 参数规格的手工验证··································30 §3.2.4 spice 仿真结果······································33 §3.3 运放性能指标的对比（手工 vs.Hspice 仿真）··················37 第四章 运放的几何方法优化概论 §4.1 GPCAD 介绍·············································38 §4.2 GP 模型介绍·············································39 第五章 设计讨论 §5.1 二级运放的补偿问题······································42 §5.2 设计中的不足与计划······································45 结束语····························································46 参考文献··························································47 致谢······························································48 附录一····························································49 附录二····························································50
前 言 我的论文题目是《CMOS运算放大器的设计和优化》。我们可以知道无论在数 字还是模拟电路中，运算放大器运用之广泛是显而易见的。 信号中包含有某种类型的信息，例如声波是由说话的人发出的，它包含了一 个人向另一个人传达的信息。我们身体的感觉，如听觉、视觉和触觉等都是模拟 信号。模拟信号可以用温度、压力和风速之类的参数来代替。这里我们感兴趣的 是电子信号，如来自CD的输出信号、来自麦克风的信号或者来自心律监视器的 信号等。这些电子信号的形式是时变电流或者时变电压。 模拟信号的幅值是任意的，并且在时间上是连续的。处理模拟信号的电子电 路成为模拟电路。线性放大器放大输入信号，输出一个比输入信号大常数倍的信 号。 来自特定信源的时变信号在能被“利用”之前常常需要放大。例如图0.1-1 是CD系统输出的信号源。信号从微小的时变电流和时变电压组成，信号的功率 很小。驱动扬声器所需要的功率比CD的输出信号功率大很多，因此，CD信号必 须在驱动扬声器之前进行放大，以保证人能听到扬声器发出的声音。其他信号在 驱动负载之前也必须进行放大，信号可以是麦克风的输出信号、地面站接收的来 自人造卫星的声音信号、来自气象卫星的视频信号等。 DC电压源 信号源 放大器 低信号功率 高信号功率- 负载 CD播放机 扬声器 图0.1-1CD系统框图 图0.1-1还有一个连接在放大器上的直流电压源。放大器中的晶体管必须出 于线性放大区，这样晶体管才能起到放大的作用。我们希望输出信号与输入信号 成线性关系，以保证扬声器（最大可能地）精确复制出来自CD的信号。因此
2 前 言 我的论文题目是《CMOS 运算放大器的设计和优化》。我们可以知道无论在数 字还是模拟电路中，运算放大器运用之广泛是显而易见的。 信号中包含有某种类型的信息，例如声波是由说话的人发出的，它包含了一 个人向另一个人传达的信息。我们身体的感觉，如听觉、视觉和触觉等都是模拟 信号。模拟信号可以用温度、压力和风速之类的参数来代替。这里我们感兴趣的 是电子信号，如来自 CD 的输出信号、来自麦克风的信号或者来自心律监视器的 信号等。这些电子信号的形式是时变电流或者时变电压。 模拟信号的幅值是任意的，并且在时间上是连续的。处理模拟信号的电子电 路成为模拟电路。线性放大器放大输入信号，输出一个比输入信号大常数倍的信 号。 来自特定信源的时变信号在能被“利用”之前常常需要放大。例如图 0.1-1 是 CD 系统输出的信号源。信号从微小的时变电流和时变电压组成，信号的功率 很小。驱动扬声器所需要的功率比 CD 的输出信号功率大很多，因此，CD 信号必 须在驱动扬声器之前进行放大，以保证人能听到扬声器发出的声音。其他信号在 驱动负载之前也必须进行放大，信号可以是麦克风的输出信号、地面站接收的来 自人造卫星的声音信号、来自气象卫星的视频信号等。 信号源 DC电压源 低信号功率 放大器 高信号功率 负载 CD 播放机 扬声器 图 0.1-1 CD 系统框图 图 0.1-1 还有一个连接在放大器上的直流电压源。放大器中的晶体管必须出 于线性放大区，这样晶体管才能起到放大的作用。我们希望输出信号与输入信号 成线性关系，以保证扬声器（最大可能地）精确复制出来自 CD 的信号。因此
希望放大器是一个线性放大器。 终上所述，线性放大器处理的是模拟信号。模拟信号可以有任意幅值，并可 以随时间连续变化。线性放大意味着输出电压与输入电压之比为常数，在一般情 况下，该常数大于1。 又例如，在设计一个宽带模拟子系统，该设计用于数字蜂窝电话的测试系统。 它有一个数一模转换器及其后面的一个多级滤波器构成，多处滤波器包括有源滤 波和无源滤波两部分。设计众多处均使用了运算放大器。 由于运放的应用如此广泛，在不同的场合需要不同的性能要求，所以研究运 放的设计和优化是非常有意义的。而本论文讨论的是一种新型的优化方法，名为 GPCAD GPCAD优化方法的思想是采用软件工具对模拟电路进行设计，把电路设计运 用数学方法来解决其电路最优配置问题。在工艺不同的情况下，可以根据同样的 方法实现，从而实现了“复用”设计。这对于实际设计将非常的有帮助。 第一章 运算放大器简介 §1.1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。 运算放大器这一术语出现在20世纪60年代。运算放大器与电阻、电容构成 的电路用在模拟计算机中，用来执行数学运算，求解微分方程和积分方程。到目 前为止，运方已经得到了广泛的应用。 目前我们仍然在讨论运算放大器的应用，主要原因在于可以用简单的晶体管 电路展现运放的理想特性，而不仅仅声明对参数的理想化假设。因为造价低廉， 集成运算放大器的性能接近理想情况，所以它广泛应用于电子电路和电子系统的 设计。 一、主要参数 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
3 希望放大器是一个线性放大器。 终上所述，线性放大器处理的是模拟信号。模拟信号可以有任意幅值，并可 以随时间连续变化。线性放大意味着输出电压与输入电压之比为常数，在一般情 况下，该常数大于 1。 又例如，在设计一个宽带模拟子系统，该设计用于数字蜂窝电话的测试系统。 它有一个数—模转换器及其后面的一个多级滤波器构成，多处滤波器包括有源滤 波和无源滤波两部分。设计众多处均使用了运算放大器。 由于运放的应用如此广泛，在不同的场合需要不同的性能要求，所以研究运 放的设计和优化是非常有意义的。而本论文讨论的是一种新型的优化方法，名为 GPCAD。 GPCAD 优化方法的思想是采用软件工具对模拟电路进行设计，把电路设计运 用数学方法来解决其电路最优配置问题。在工艺不同的情况下，可以根据同样的 方法实现，从而实现了“复用”设计。这对于实际设计将非常的有帮助。 第一章 运算放大器简介 §1.1 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。 运算放大器这一术语出现在 20 世纪 60 年代。运算放大器与电阻、电容构成 的电路用在模拟计算机中，用来执行数学运算，求解微分方程和积分方程。到目 前为止，运方已经得到了广泛的应用。 目前我们仍然在讨论运算放大器的应用，主要原因在于可以用简单的晶体管 电路展现运放的理想特性，而不仅仅声明对参数的理想化假设。因为造价低廉， 集成运算放大器的性能接近理想情况，所以它广泛应用于电子电路和电子系统的 设计。 一、主要参数 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、CMOS运放的主要优点有： 1输入阻抗高达10E12欧姆以上，输入偏流极小，约1PA: 2高增益； 3功耗低，集成度高； 4与CMOS数字电路兼容，成为VLSI的基本单元电路。 三、CM0S运放的一般结构框图（如图1.1-1所示） 频率补偿电路 差分放大 中间放大 输出电路 偏置电路 图1.1-1 运放的一般结构框图 四、当前CMOS运放发展的新趋势 在许多实际应用中，由于场合的不同，常常要求运放具有高速、高电源抑制 比、低功耗或低失调等一个或几个性能要求，这就要求集成电路设计人员在工艺 技术、电路设计方面作不懈的努力，以使运放具有所需要的最优性能。 例如，近年来，MOS大规模集成电路中既有模拟电路又有数字电路，即模拟 电路与数字电路做在同一芯片上，这样数字电路的脉冲信号往往通过电源对模拟 电路（如运放电路）产生干扰，此干扰信号使得运放在没有信号输入的情况下产 生一个输出信号，从而影响了运放电路的正常工作。在单片机运放电路中，通过 采用退耦或与数字电路的电源分开等方法，可以消除这种电源干扰。但在MOS 大规模集成电路中，这种干扰往往是客观存在的，难以消除，因此，在MOS大规 模集成电路中，设计高电源抑制比的运放显得十分必要
4 以及功耗等。 二、CMOS 运放的主要优点有： 1 输入阻抗高达 10E12 欧姆以上，输入偏流极小，约 1PA； 2 高增益； 3 功耗低，集成度高； 4 与 CMOS 数字电路兼容，成为 VLSI 的基本单元电路。 三、CMOS 运放的一般结构框图（如图 1.1-1 所示） 差分放大 频率补偿电路 中间放大 输出电路 偏置电路 图 1.1-1 运放的一般结构框图 四、当前 CMOS 运放发展的新趋势 在许多实际应用中，由于场合的不同，常常要求运放具有高速、高电源抑制 比、低功耗或低失调等一个或几个性能要求，这就要求集成电路设计人员在工艺 技术、电路设计方面作不懈的努力，以使运放具有所需要的最优性能。 例如，近年来，MOS 大规模集成电路中既有模拟电路又有数字电路，即模拟 电路与数字电路做在同一芯片上，这样数字电路的脉冲信号往往通过电源对模拟 电路（如运放电路）产生干扰，此干扰信号使得运放在没有信号输入的情况下产 生一个输出信号，从而影响了运放电路的正常工作。在单片机运放电路中，通过 采用退耦或与数字电路的电源分开等方法，可以消除这种电源干扰。但在 MOS 大规模集成电路中，这种干扰往往是客观存在的，难以消除，因此，在 MOS 大规 模集成电路中，设计高电源抑制比的运放显得十分必要
§1.2运算放大器的几种基本结构 在本论题中可以使用GPCAD优化方法对于CMOS运算放大器的六种基本机构 均进行优化。所以这一节将介绍不同类型的实用CMOS运放电路的六种基本结构。 ·二级运放(two-stage op-amp) ·简单传导放大器(simple0TAop-amp) V DD IBIA5 ·传导放大器(OTA op-amp) ·串级放大器(two-stage cascaded op-amp) YDD ￥DD IB145 1 H 1 10 1 折叠串级放大器(Folder-cascode op-amp) 伸缩放大器(Telescopic op-amp) ￥00 V DD 1 11A月 IBIA5 ① VOUT 1 1 M12 11 10 M10 5
5 §1.2 运算放大器的几种基本结构 在本论题中可以使用 GPCAD 优化方法对于 CMOS 运算放大器的六种基本机构 均进行优化。所以这一节将介绍不同类型的实用 CMOS 运放电路的六种基本结构。 ·二级运放（two-stage op-amp） ·简单传导放大器（simple OTA op-amp） ·传导放大器（OTA op-amp） ·串级放大器（two-stage cascaded op-amp） ·折叠串级放大器（Folder-cascode op-amp） ·伸缩放大器（Telescopic op-amp）