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1、CMOS轨对轨运算放大器的版图设计本科版图课程设计论文CMOS轨对轨运算放大器的版图设计学生：指导教师：院系：光电工程学院专业班级：电子科学与技术02班大学2011年6月ⅠCMOS轨对轨运算放大器的版图设计摘要基于MOSIS/ORBIT1.2uSCNA工艺,设计一个面积小于1mm×1mm的CMOS轨对轨运算放大器版图。该运算放大器采用了5V电源供电,其输入共模范围(1-4V)和输出信号摆幅接近于地和电源电压,即所谓输入和输出电压范围轨对轨。该运放的开环增益≥100dB,单位增益带宽为6MHz,相位裕度≥60°，功耗≤2mW，
2、负载电容为1pF，负载电阻为1MΩ。该运放为互补式差分对管尾电流控制式轨对轨运算放大器;该电路的电流求和电路采用折叠式宽摆幅共源共栅电路;输出电路采用具有相位补偿的共源放大器。【关键词】轨对轨；运算放大器；小信号增益；单位增益带宽ⅠCMOS轨对轨运算放大器的版图设计目录摘要Ⅰ第一章引言1第二章电路图形分析22.1轨对轨运放输入级的原理22.2输入差分对管尾电流控制式轨对轨运算放大器分析32.3运放偏置电路的分析32.4运放的频率补偿分析32.5折叠式差分放大电路分析3第三章CMOS轨对轨运算放大器版图43.1版图设计中应注意
3、的事项43.2设计版图6第四章CMOS轨对轨运算放大器的波形仿真74.1仿真时所加命令74.2T-spice提取文件……………………………………………………………………………………...74.3仿真波形7第五章总结10参考文献11附录一121CMOS轨对轨运算放大器的版图设计第一章引言随着信息技术和微电子制作工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，由此构成的集成电路的电源电压也越来越低。。CMOS运算放大器是模拟电路中重要基本单元,该单元不但要具有传统运放的基本特性,如高增益、低失调等,而且随着低电源电压的要求,还必须具
4、备接近于供电电源电压和地之间(轨对轨)的输入共模范围和输出摆幅。当今，运算放大器仍然是模拟电路设计中最重要的单元电路。每一代新的集成电子设备皆有相当部分的模拟电路部，研究开发新一代低压低功耗运算放大器才可不断满足新的电路应用的要求。轨对轨（rail-to-rail）运算放大器就是随着低电压而产生的运算放大器。rail-to-rail，即“轨至轨”，有时也称为“满摆幅”，是指输出(或输入)电压范围与电源电压相等或近似相等。从输入方面来讲，其共模输入电压范围可以从负电源电压到正电源电压；从输出方面来讲，其输出电压范围可以从负电源
5、电压到正电源电压。也就是说，这是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真态范围有很大的影响，当ΔV很小时(10mV-100mV)，无失真动态范围最小电压值为Vss+ΔV，最大值为Vdd-ΔV，具有这样动态范围的运放就叫rail-to-rail运放。轨对轨输入/输出特性，扩大了动态范围，避免了补偿输入级常见的交越失真问题，这种设计降低了失真，在整个输入电压范围内，甚至比比电源电压高100mV左右，实现了较高的共模抑制比(CMRR)，因此最大限度地提高了整体性能，非常适合驱动A/D转换器，而不会造成差分线性衰减。1
6、CMOS轨对轨运算放大器的版图设计第二章电路图形分析图2-1CMOS轨对轨运算放大器原理图2.1轨对轨运放输入级的原理运算放大器的输入级的主要任务是放大差分信号，同时有效地抑制共模信号。由传统的差分放大器的直流特性可知,通过适当地选择放大器的直流电流和器件特性参数,对于NMOS差分输入放大电路可以使其共模输入范围的上限值接近于电源电压VDD,但下限值电位距离地参考点很远,达不到轨对轨运放输入级的轨对轨的共模输入的要求。同样,对于PMOS差分输入放大电路可以使其共模输入范围的下限值接近于地参考点,而上限值距离VDD很远,同样也
7、不能满足轨对轨的共模输入的要求。注意到两种差分输入放大电路对于共模输入范围的互补特性,可将两种电路并连作为运算放大器的输入级,这样该输入级的共模输入范围可满足运放输入级轨对轨的要求。即NMOS差分对MN1和MN2可以使输入共模电压达到正电源电压VDD，PMOS差分对MP1和MP2可以使输入共模电压达到负电源电压VSS，共模电压范围：VSS＜V＜VDD,从而实现轨对轨输入。但是将PMOS差分对和NMOS差分对简单地并联构成轨对轨的输入电路,该电路并不能很好地工作。所以,在整个轨对轨的共模输入电压范围内,运放的输入电路的跨导的最
8、大值是其最小值的二倍。由于输入电路的跨导的不同,会导致在共模输入电压范围内运算放大器的增益不同,在相同输入信号频率下相频的反应也会不同,所以输出信号在不同的共模输入电压下产生失真,对于整个电路的相位补偿会相当困难,并且有可能导致运算放大器工作的不稳定。根据已有文献,可以采用较好地解决该问题
