蘇州科技學院天平學院本科生畢業(yè)設計（論文）密勒補償運算放大器的設計與優(yōu)化摘 要電子工業(yè)在如今飛速的發(fā)展，集成電路在各行各業(yè)中起到了越來越重要的作用，從而促使需求量越來越高高速、高精度、多功能、低功耗等等的指標已經逐漸走進人們的視野本次設計主要闡述了放大器的基本組成，簡單電阻負載放大器和共源放大器以及二級密勒補償運算放大器的設計設計中我們采用Cadence軟件在虛擬機中運行來實現(xiàn)電路的仿真關注運算放大器的各項指標：開環(huán)直流增益，單位增益帶寬，相位裕度，轉換速率，負載電容，靜態(tài)功耗，共模抑制比等等根據提供的指標參數(shù)進行設計，最終通過改變晶體管參數(shù)和元器件參數(shù)進行分析，進而可以達到優(yōu)化電路的目的關鍵詞 運算放大器；電路設計；Cadence仿真；性能指標The design and optimization of Miller compensation operational amplifierAbstractWith the rapid development of the electronics industry nowadays, IC has played an increasingly important role in all walks of life, contributing to the demand for it becoming higher and higher. This design mainly elaborated the basic components of the amplifier, a simple resistive load amplifier and a common-source amplifier, and the design of a secondary Miller compensation arithmetic amplifiers. In the design, we use Cadence software running in a virtual machine to achieve the emulation of a circuit. Concern about the indicators of the operational amplifier: DC gain, GBW, PM, SR,, Static power consumption, CMRR and so on. Design the circuit according to indicators and parameters provided, eventually analyzed by changing transistor parameters and component parameters and then you can achieve the purpose of optimizing the circuit.Keywords Operational Amplifiers; Circuit Design; Emulation of Cadence ; Performance indicators目 錄第1章 緒論 11.1 引言 11.2 設計思路、運放介紹和軟件運用 11.2.1 運算放大器的基本設計思路 11.2.2 關于模擬集成運算放大器 21.2.3 仿真軟件的介紹 31.2.4 運算放大器的性能指標 31.3 章節(jié)內容概述 4第2章 簡單的電阻負載共源放大器 52.1 電路原理分析 52.2 電路仿真過程與原理 62.3 SMIC 0.18um3.3V厚氧化柵工藝PMOS管電阻負載共源放大器影響因素仿真與分析 132.3.1 設定電阻=165kΩ，L=10u不變，改變W 132.3.2 設定Rds=165kΩ不變，W=5u不變，改變L 132.3.3 設定W/L=40u/10u=4不變，=165kΩ不變，改變Vgs 142.3.4 設定W/L=40u/10u=4不變，改變的大小 152.3.5 設定=165kΩ不變，W/L=4不變，改變W，L的值 15第3章 簡單共源放大器的設計 173.1 單級共源放大器的設計 173.1.1 設計原理圖與指標 173.1.2 參數(shù)的估計 173.1.3 仿真驗證 183.2 共源共柵電路 243.2.1 設計原理圖與指標 243.2.2 參數(shù)估計 253.3 參數(shù)比對分析 26第4章 二級密勒補償運算放大器的設計和分析 264.1 電路原理和參數(shù)估計 264.1.1 電路原理分析 264.1.2 設計指標 264.2 電路設計與參數(shù)估算 264.2.1 分配各級的增益 264.2.2 確定密勒電容Cc的大小 264.2.3 確定各級工作電流 264.2.4 確定第一級輸出擺幅和靜態(tài)工作點 264.2.5 估算第一級寬長比 264.2.6 第二級寬長比的估算 264.3 仿真驗證和結果分析 264.3.1 靜態(tài)工作點仿真 264.3.2 共模輸入范圍仿真的過程和結果 264.3.3 開環(huán)增益，相位裕度，單位增益帶寬的仿真 264.3.4 共模電壓與差模增益的關系 264.3.5 共模抑制比的仿真過程與結果 264.3.6 共模輸入和共模抑制比的關系 264.3.7 瞬態(tài)分析 264.3.8 電路靜態(tài)總功耗 264.4 密勒電容對零點極點的影響以及運算放大器性能參數(shù)和穩(wěn)定性的影響 264.5 運算放大器設計指標與仿真結果 26總 結 26致 謝 26參 考 文 獻 26附錄A 基于SMIC 0.18um 3.3V厚氧化珊工藝MOS管的溝道長度調制系數(shù)λ和參數(shù)K的參數(shù)提取表 26附錄B 譯文 26附錄C 外文原文 2655第1章 緒論1.1 引言集成電路的發(fā)展改變了人們的日常生活，它可以說是人類文明史上的新變革。

電子產品的越來越多，應用的范圍也越來越廣，其內部的半導體集成電路的制作要求也就越來越高進而集成電路中的電路設計就變得越來越重要，同時也會面臨著壓力，這便是我們正在面臨的問題目前看來，一般模擬電路設計依然需要手工設計因此研究模擬電路設計過程，提高設計成功機會和效率是非常必要的雖然在給定所需功能行為描述的數(shù)字系統(tǒng)設計自動化方面計算機輔助設計方法應用得很成功了，但對于模擬電路來說并不適用 模擬電路的設計一般分為三個步驟：第一，進行原理圖的設計，選擇設計所選用的晶體管和各個電路器件，繪制出原理圖；第二，參數(shù)的估算，根據所要求給定的參數(shù)，總體上估算出電路中元器件的參數(shù)數(shù)值；第三，仿真驗證，驗證實際數(shù)值是否與估算值有相差，如果有相差，我們需要進一步分析導致誤差的原因，通過微調電路或者元器件的參數(shù)最終得到滿足設計條件的電路圖本次設計是根據cmos運算放大器的基本原理設計指標和工藝要求完成的基本運算放大器的研究分析，以求從點及面的更好的去理解運算放大器的構成和影響因素，并且能夠在仿真中經過驗證得到所想要得到的運算放大器1.2 設計思路、運放介紹和軟件運用簡單的介紹一下運放的研究背景和種類以及完成本次設計的設計思路和仿真軟件Cadence的使用。

1.2.1 運算放大器的基本設計思路一個完整的運算放大器的設計流程可以分為：（1）確定設計目標；（2）設計電路并運用仿真軟件進行仿真；（3）進行版圖的設計；（4）根據版圖制作出來芯片的測試由于時間的限制，本次設計只考慮前兩部分的詳細研究）流程圖如圖1.1所示圖1.1 集成運放的基本設計思路要完成一個運放電路的設計，就是首先確定電路的主要性能指標在本次設計中，我們主要是完成一個基本的密勒補償運算放大器的設計所以我們可以基于合理的電路結構來確定電路中的晶體管的尺寸大小和電容值的大小，借此來達到設計的目的，可以使整個電路出于合理的工作狀態(tài)給定的設計性能指標一般如下：（1）直流電壓增益Av；（2）單位增益帶寬GBW；（3）壓擺率SR；（4）所要驅動的負載電容CL；（5）需要達到的相位裕度PM；（6）輸入共模電壓范圍ICMR；（7）輸出電壓范圍；（8）輸出電壓擺幅；（9）整個電路所允許的功耗二級密勒補償運算放大器主要是由差分放大器和共源放大器組成，而共源放大器的原理即等于是一個電阻負載的運算放大器因此在設計之前我們首先討論電阻負載的放大器的參數(shù)改變對放大器本身指標的影響，接著在進行對共源放大器的討論分析，有了前面這些測試數(shù)據的經驗，之后我們在最終的設計二級密勒補償云運算放大器才能更好地對其進行優(yōu)化。

1.2.2 關于模擬集成運算放大器運算放大器從誕生到現(xiàn)在有40多年的歷史，由最早采用的硅工藝（NPN工藝）發(fā)展到標準硅工藝（NPN-PNP工藝），由于結型場效應管技術的成熟最后又加入了結型場效應管工藝加上半導體集成電路運用的越來越廣泛，我們對其內部的電路設計要求也就變得越來越高作為內部電路系統(tǒng)中的一個重要基本單元的運算放大器的設計如今也顯得尤為的重要根據制造工藝， 目前在使用中的集成模擬運算放大器可以分為標準硅工藝運算放大器、在標準硅工藝中加入了結型場效應管工藝的運算放大器、在標準硅工藝中加入了MOS工藝的運算放大器本次設計中我們主要討論的是在標準硅工藝中加入MOS工藝的運算放大器中的全MOS場效應管工藝的模擬運算放大器，該放大器的主要特點是由于電源電壓的降低，功耗大大的降低而按照功能/性能分類，模擬運算放大器一般可分為通用運放、低功耗運放、精密運放、高輸入阻抗運放、高速運放、寬帶運放、高壓運放，另外還有一些特殊運放，例如程控運放、電流運放、電壓跟隨器等等但是隨著技術的進步，運放的分類的門檻一直在不斷的變化1.2.3 仿真軟件的介紹因為如今設計的模擬集成電路都是深亞微米級別的，必須采用先進的EDA軟件工具在計算機上進行設計。

因為基于SPICE的仿真工具Cadence公司的 Spectre 容易上手，并且仿真結果快速準確所以本次設計我們使用的仿真軟件為CadenceCandence仿真軟件有以下幾個優(yōu)點:高品質，更高的設計質量，更好的設計精度，最少的轉換，并且能夠完成整個IC設計流程的各個方面由于采用 Cadence 設計仿真電路用的是更高級精準的模型，本次設計我們采用SMIC的0.18um工藝和3.3V的電源電壓1.2.4 運算放大器的性能指標1.輸入共模電壓范圍（ICMR）：指使CMOS差分放大器中的各MOS管均工作在飽和區(qū)的共模輸入電壓的最大值和最小值2輸出擺幅（output swing）：運放維持高開環(huán)增益時輸出電壓的范圍3.低頻增益（DC gain）：也稱開環(huán)增益，是指未加反饋網絡或反饋系數(shù)為零時，放大器對輸入信號的放大倍數(shù)4.共模抑制比（ CMRR）：衡量放大器對共模輸入信號抑制能力的一個參數(shù)5.帶寬：放大器的增益降低到直流值的-3dB時所對應的頻率6.單位增益帶寬（GBW）：增益為1（0dB）時對應的頻率7.相位裕度：避免放大器閉環(huán)應用時發(fā)生振蕩8.轉換速率（擺率SR）：大信號輸入時，輸出電壓的變化對時間的比值，由對電容充放電的最大電流決定。

9.建立時間（settling time）：當運放受到一階躍大信號激勵時，輸出電壓達到平穩(wěn)值所需要的時間1.3 章節(jié)內容概述第二章主要闡述了運放的基本構成單元電。