CMOS运算放大器设计

西南大学本科毕业论文（设计）1目录摘要...................................................................3Abstract................................................................40文献综述............................................................50.1集成电路概述...................................................50.2集成电路的发展.................................................50.3集成电路应用领域...............................................60.4CMOS集成电路................................................90.5运算放大器.....................................................90.6CMOS运算放大器.............................................101引言...............................................................111.1运算放大器简介................................................111.2本文研究内容..................................................122CMOS运算放大器...................................................122.1CMOS运算放大器简介..........................................122.2CMOS运算放大器的设计流程....................................133CMOS运算放大器电路设计...........................................143.1电路的PSpice模拟及理论计算...................................143.2电路结构分析及参数调试........................................153.3电路仿真......................................................154CMOS运算放大器版图设计..........................................254.1版图设计流程...................................................254.2工艺设计规则...................................................264.3单元器件的绘制——图元.........................................274.4CMOS放大器的版图设计........................................314.5T-Spice仿真...................................................345总结...............................................................38西南大学本科毕业论文（设计）2参考文献..............................................................39致谢..................................................................41西南大学本科毕业论文（设计）3CMOS运算放大器黄海滨西南大学工程技术学院，重庆400715摘要：CMOS全称ComplementaryMetalOxideSemiconductor,即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。CMOS加工工艺使得电路拥有低功耗的特点，由于CMOS中一堆MOS组成的门电路在电路工作的瞬间要么是NMOS导通、要么是PMOS导通、要么都截止，因此效率很高，功耗很低。CMOS运算放大器由于具有可靠性高、成本低廉、调试方便，在电子电路的各个领域中应用都相当广泛，当今99%的数字系统采用CMOS工艺实现。因此CMOS运放成为了研究热点。本文着重论述CMOS运算放大器的设计与仿真，论文中主要研究了以下几方面的关键问题：一、CMOS运算放大器的电路结构；二、CMOS运算放大器的电路参数；三、CMOS运算放大器的L-Edit仿真。本人对CMOS运放电路采用了pspice软件设计电路结构，计算并调试参数、最后采用了L-Edit软件绘制了版图。关键词：CMOS、运算放大器、电路模拟、版图设计。西南大学本科毕业论文（设计）4TheCMOSoperationalamplifierHuangHaibinCollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,ChinaAbstract:ThefullnameofCMOSComplementaryMetalOxideSemiconductor,whichiscomplementarymetaloxidesemiconductor,isalarge-scaleintegratedcircuitchipmanufacturingrawmaterials.ThecharacteristicsofCMOStechnologymakesthecircuithaslowpowerconsumption,becausethegatecircuitcomposedofaCMOSMOSinthecircuitmomentsorNMOSconduction,oristhePMOSconduction,orstop,sotheefficiencyisveryhigh,thepowerconsumptionisverylow.TheCMOSoperationalamplifierwithhighreliability,lowcost,convenientdebugging,invariousfieldsoftheelectroniccircuitsarewidelyused,digitalsystemin99%withCMOStechnology.SotheCMOSoperationalamplifierhasbecomethehotspotofresearch.ThispaperfocusesonthedesignandSimulationofCMOSoperationalamplifier,thispapermainlystudiesthekeyproblemsinthefollowingaspects:thecircuitstructure,CMOSoperationalamplifiercircuitparameters;two,CMOSoperationalamplifier;simulationofL-Editthree,CMOSoperationalamplifier.IusethePSPICEsoftwaretodesignthecircuitstructureofCMOSoperationalamplifiercircuit,debugtheparameters,calculationandfinallyusetheL-Editsoftwaretodrawthelayout.Keywords:CMOS,operationalamplifier,design,simulation.西南大学本科毕业论文（设计）50文献综述0.1集成电路概述所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。[1]0.2集成电路的发展集成电路的发展经历了一个漫长的过程，以下以时间顺序，简述一下它的发展过程。1906年，第一个电子管诞生；1912年前后，电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展；1918年前后，逐步发现了半导体材料；1920年，发现半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后，运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象；1956年，硅台面晶体管问世；1960年12月，世界上第一块硅集成电路制造成功；1966年，美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路。1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。[2]集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争，使集成电路发挥了它更大的功能，更好的服务于社会。由此集成电路从产生到成熟大致经历了如下过程：电子管——晶体管——集成电路——超大规模集成电路1)集成电路的前奏——电子管、晶体管电子管，是一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、西南大学本科毕业论文（设计）6寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，很快就不适合发展的需求，就没躲过被淘汰的命运。晶体管，是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管很快就成为计算机“理想的神经细胞”，从而得到广泛的使用。[3]虽然晶体管的功能比电子管大了很多，但由于电子信息技术的发展，晶体管也越来越不适合科技的发展，随之出现的就是能力更强的集成电路了。0.3集成电路应用领域1)在计算机的应用随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。第四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。计算机主要部分几乎都和集成电路有关，CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等，无不与集成电路有关。并且专家通过最新技术把越来越多的元件集成到一块集成电路板上，并使计算机拥有了更多功能，在此基础上产生许多新型计算机，如掌上电脑、指纹识别电脑、声控计算机等等。随着高新技术的发展必将会有越来越多的高新计算机出现在我们面前。2)在通信上的应用集成电路在通信中应用广泛，诸如通信卫星，手机，雷达等，我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典型一例。“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统，与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球4大卫星导航系统。它的研究成功，打破了卫星定位导航应用市场由国外GPS垄断的局面。前不久，我国已成功发射了第二代北斗导航试验卫星，未来将形成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫