苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文）
确定工艺及电路功能第一步 确定设计目标及电路参数的估计第二步 运用仿真软件进行仿真验证第四步 版图制成芯片并对芯片进行检测第三步 对设计号的电路进行版图设计检测合格完成设计成品封装芯片
图1.1 集成运放的基本设计思路
要完成一个运放电路的设计，就是首先确定电路的主要性能指标。在本次设计中，我们主要是完成一个基本的密勒补偿运算放大器的设计。所以我们可以基于合理的电路结构来确定电路中的晶体管的尺寸大小和电容值的大小，借此来达到设计的目的，可以使整个电路出于合理的工作状态。给定的设计性能指标一般如下：（1）直流电压增益Av；（2）单位增益带宽GBW；（3）压摆率SR；（4）所要驱动的负载电容CL；（5）需要达到的相位裕度PM；（6）输入共模电压范围ICMR；（7）输出电压范围；（8）输出电压摆幅；（9）整个电路所允许的功耗。
二级密勒补偿运算放大器主要是由差分放大器和共源放大器组成，而共源放大器的原理即等于是一个电阻负载的运算放大器。因此在设计之前我们首先讨论电阻负载的放大器的参数改变对放大器本身指标的影响，接着在进行对共源放大器的讨论分析，有了前面这些测试数据的经验，之后我们在最终的设计二级密勒补偿云运算放大器才能更好地对其进行优化。 1.2.2 关于模拟集成运算放大器
运算放大器从诞生到现在有40多年的历史，由最早采用的硅工艺（NPN工艺）发展到标准硅工艺（NPN-PNP工艺），由于结型场效应管技术的成熟最后又加
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入了结型场效应管工艺。加上半导体集成电路运用的越来越广泛，我们对其内部的电路设计要求也就变得越来越高。作为内部电路系统中的一个重要基本单元的运算放大器的设计如今也显得尤为的重要。
根据制造工艺， 目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS工艺的运算放大器。本次设计中我们主要讨论的是在标准硅工艺中加入MOS工艺的运算放大器中的全MOS场效应管工艺的模拟运算放大器，该放大器的主要特点是由于电源电压的降低，功耗大大的降低。
而按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。但是随着技术的进步，运放的分类的门槛一直在不断的变化。 1.2.3 仿真软件的介绍
因为如今设计的模拟集成电路都是深亚微米级别的，必须采用先进的EDA软件工具在计算机上进行设计。因为基于SPICE的仿真工具Cadence公司的 Spectre 容易上手，并且仿真结果快速准确。所以本次设计我们使用的仿真软件为Cadence。Candence仿真软件有以下几个优点:高品质，更高的设计质量，更好的设计精度，最少的转换，并且能够完成整个IC设计流程的各个方面。由于采用 Cadence 设计仿真电路用的是更高级精准的模型，本次设计我们采用SMIC的0.18um工艺和3.3V的电源电压。
1.2.4 运算放大器的性能指标
1.输入共模电压范围（ICMR）：指使CMOS差分放大器中的各MOS管均工作在饱和区的共模输入电压的最大值和最小值。
2输出摆幅（output swing）：运放维持高开环增益时输出电压的范围。
3.低频增益（DC gain）：也称开环增益，是指未加反馈网络或反馈系数为零时，放大器对输入信号的放大倍数。
4.共模抑制比（ CMRR）：衡量放大器对共模输入信号抑制能力的一个参数。 5.带宽：放大器的增益降低到直流值的-3dB时所对应的频率。
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6.单位增益带宽（GBW）：增益为1（0dB）时对应的频率。 7.相位裕度：避免放大器闭环应用时发生振荡。
8.转换速率（摆率SR）：大信号输入时，输出电压的变化对时间的比值，由对电容充放电的最大电流决定。
9.建立时间（settling time）：当运放受到一阶跃大信号激励时，输出电压达到平稳值所需要的时间。
1.3 章节内容概述
第二章主要阐述了运放的基本构成单元电阻负载放大器的设计和电路参数的变化对电路性能所造成的影响，从而为之后设计更为复杂的电路进行铺垫。
第三章主要是使我们对单级放大器的设计形成一个认识，熟悉运算放大器的设计过程以及怎样使设计达到我们所需要的指标。学会使用改变电路参数的方法来达成设计目的。
第四章为本次设计的重点，在此我们详细介绍了二级密勒补偿运算放大器的设计的整个流程，并且考虑了影响电路指标的重要因素，并从中分析优化电路。
电阻负载放大器共源放大器二级密勒放大器
图1.2 设计思路
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第2章 简单的电阻负载共源放大器
2.1 电路原理分析
在这里我们讨论的是基于SMIC 0.18um3.3V厚氧化栅工艺PMOS管电阻负载共源放大器的分析与设计。电阻负载的共源放大器的结构如图2.1所示。其将栅极电压小信号变化转换成漏极电流小信号，通过负载电阻转换为输出电压。
VinVoutVinVout
图2.1 NMOS和PMOS的电阻负载共源放大器的基本原理图
当Vin?Vth ，晶体管M截止，电流极小，
Vout?VDD(NMOS)Vout?VSS(PMOS)
（2.1）
当Vin接近Vth，晶体管开始导通，Vout?VDD?IDRD（NMOS），Vout开始变小；对于PMOS管，Vout?VSS?IDRD，Vout开始变大，晶体管处于饱和区。
1WVout?VDD??nCox(Vin?VTHN)2RD
2L (NMOS） (2.2)
（PMOS) (2.3)
1WVout?Vss??pCox(Vin?VTHP)2RD
2L进一步增大Vin，直到Vin?Vout?VTH，晶体管加入线性区，
Vout?VDD?RD1W?nCox[2(Vin?VTH)Vout?Vout2] 2L5
(2.4)
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通常要保证Vout?Vin?VTH，我们可以得到小信号增益如下公式：
Av??VoutW??(RD//RDS)KnVon??gm(RD//RDS) ?VinL(2.5)
gm?2Kn2IWWVon?2KnIDS?DS LLVonRDS?Ro?VEL IDS(2.6)
(2.7)
如图2.2是交流小信号等效电路：
图2. 2 NMOS电阻负载共源放大器交流小信号等效电路
据电路原理，为了实现高增益，可以提高负载电阻，增大晶体管的输出电阻，提高晶体管的跨导等办法。其中增加负载电阻，会占用很大面积，一般不采用。但是电阻负载放大器的寄生电容和噪声电压都比较小，适合低增益高频放大器。下面对电阻负载共源放大器的影响因素进行分析和讨论。
2.2 电路仿真过程与原理
在软件中绘制出电阻负载的单管共源放大器，如下图2.3所示：电源为3.3V，PMOS采用SMIC0.18工艺3.3V晶体管，栅极接电压源偏置1V。
图2.3 PMOS电阻负载单管共源放大器电路图
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