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集成电路设计课程项目设计指导书

《CMOS模拟集成电路设计》

课程项目设计指导书

2011年5月

目录

1课程（项目）设计目的1

2内容及要求2

2.1内容概述2

2.2基本要求2

2.3提高要求3

3设计基础4

3.1知识基础4

3.2能力基础5

4进度安排6

5分析与设计7

6实现与测试14

7设计报告要求18

8考核与评价18

项目评分标准：

18

9参考文献19

附录20

《CMOS模拟集成电路设计》课程（项目）设计——

CMOS集成运算放大器设计

1课程（项目）设计目的

《CMOS模拟集成电路设计》课程的教学目标是使学生更深入地理解CMOS模拟集成电路的基本原理，掌握CMOS模拟集成电路的分析方法，SPICE建模及电路仿真技术，运用所学知识设计综合项目，为以后深入学习本专业的高级开发课程打下良好的基础。

本课程（项目）设计CMOS模拟集成运算放大器，从而达成课程的培养目标：

1．教学目标的总体概括

通过理论和实践教学，使学生理解CMOS模拟器件原理、模型，掌握CMOS模拟电路工作原理，掌握CMOS模拟电路仿真及版图设计技术，为以后深入学习本专业的高级开发课程打下良好的基础。

2．教学目标列表

目标内容

具体目标

理论知识

理解CMOS模拟器件原理、模型

理解CMOS模拟电路工作原理

专业技能

掌握CMOS模拟电路分析技术

掌握CMOS模拟电路仿真和版图设计技术

运用CMOS模拟电路知识设计综合项目

职业素养

具有积极向上的学习态度和良好的学习习惯

2内容及要求

2.1内容概述

运算放大器，简称运放，是模拟电路中最为通用和基础的模块。

运放一般由几部分构成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。

本项目所设计的运放采用两级结构，涵盖课程所学各章知识。

通过项目任务书的学习自行提出设计目标，定制包括指标项及参数；通过分析CMOS集成运放的种类及功能、结构，结合设计要达到的目标选取合适的结构；运用所学知识完成所选种类或结构CMOS集成运放的一般性原理分析及相关指标的定量分析；得到定制设计的量化公式或约束；运用给定的器件模型及设计软件环境进行初始设计；编写Hspice程序进行仿真、验证；设计的优化、测试，反复迭代、直至设计目标全部实现。

2.2基本要求

完成项目任务书学习与设计需求分析（开环差模增益、输出摆幅、KCMRR（共模抑制比）、带宽、转换速率等），完成系统结构设计、参数或指标定义；完成系统模块划分及各子模块的详细设计，终结型文档的提交与答辩。

运用教材上的Level1模型及其典型参数值完成电路设计与Hspice仿真和各指标的优化设计，设计的主要条件和可选参数（最低指标）列表如下：

2.3提高要求

完成系统集成后的优化分析与优化设计、实现更多或更优的参数或指标设计；完成版图设计与验证，为走上工作岗位或从事实际研发打下坚实基础。

3设计基础

3.1知识基础

模拟电路基础：

频率响应，系统稳定性与频率补偿，集成运放组成及指标。

（参见《模拟电路》相关教材及课件）

§运算放大器概述

１、主要参数

开环增益、单位增益带宽、KCMRR、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、PSRR（电源电压抑制比）以及功耗、面积。

２、CMOS运放的主要优点：

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。

３、CMOS运放的一般结构框图（如下图1所示）

图1运放的一般结构

图2不同结构运放的性能比较

CMOS模拟器件物理基础、CMOS模拟器件模型及Hspice仿真技术，单级放大器、差分放大器、电流镜、频率响应与频率补偿；集成运放的结构、性能参数，CMOS模拟集成电路设计方法及流程。

（参见《CMOS模拟集成电路设计》相关教材及课件）

3.2能力基础

1、综合运用CMOS模拟电路基础知识、应用HSPICE语言进行建模及仿真验证的能力；

2、查阅、理解模拟集成电路设计领域相关文献的能力；具体问题具体分析和处理的能力；

3、团队合作的能力；

4、撰写项目报告制作文档进行答辩的能力。

课程培养能力体系一览表：

TOPCARES（1级能力指标）

TOPCARES（2级能力指标）

TOPCARES（3级能力指标）

专业人才培养能力指标

1Technicalknowledgeand

reasoning

技术知识与推理能力

1.3高级基础知识

1.3.1CMOS模拟集成电路设计

掌握CMOS模拟电路分析、仿真和版图设计技术

2Openmindedandinnovation

开放式思维与创新

2.1系统思维

2.1.1全方位思维

综合考虑所设计电路的各项性能指标（精度、速度、功耗、面积等）。

2.2批判性思维

2.2.1分析问题

具体问题具体分析和处理。

4Communicationandteamwork

沟通表达与团队合作

4.1交流能力

4.1.3书面的交流

完成要求的书面作业和实验报告

4.2使用外语能力

4.2.2阅读、

理解专业领域文献

阅读、理解模拟集成电路设计领域相关文献。

4.3团队工作

4.3.5形成技术团队

团队合作完成项目设计。

8Socialcontributionby

applicationpractice

（CDIO）

实践构思、设计、实现和运行为

社会的贡献

8.4系统的构思与工程化

8.4.1设立系统目标和要求

根据老师给定的项目设计最低性能指标，制定本组项目设计性能指标。

8.4.2定义功能，概念和结构

选取几种可行的设计方案。

8.4.3系统建模和确保目标实现

应用SPICE语言进行建模及仿真验证

8.6实施

8.6.1设计实施过程

完成定制设计项目，并要求达到相应的性能指标。

4进度安排

本课程设计安排。

（1）第一阶段（4学时）

完成文档学习、查阅相关技术资料，分析设计任务书，提出设计指标。

（2）第二阶段（10学时）

进行结构设计、模块划分，完成进行各子模块具体设计、系统集成、调试、设计指标的优化。

（3）第二阶段（2学时）

终结型文档的撰写与答辩。

具体时间划分列表：

时间

（教学周）

项目内容

实施方法

课内学时

考核方式

13

项目任务书学习与设计需求分析

讨论教学法

4

E1（项目设计）/E2（技术报告）/ODD

13-14

系统设计与模块划分

实验、讨论

2

E1/E2/ODD

14-15

各子模块的详细设计

实验、讨论

4

E1/E2/ODD

15-16

系统集成及指标优化

实验、讨论

4

E1/E2/ODD

16

终结型文档的提交与答辩

项目答辩

2

E2/ODD

5分析与设计

§系统结构论证；

二级运算放大器的基本结构：

图3

单级放大器的增益一般最大可做到70dB左右，要获得更高增益时需两极或两极以上放大才能得到，在两极运放中，第一极通常用来获得高增益，第二级用来获得大输出摆幅。

这样做的目的一是解决了高增益与输出摆幅的矛盾，另一方面也容易满足运放稳定性要求，同时可以减小运放的等效失调电压。

图4典型的二级运放结构

§二级运放工作原理分析:

MOS1模型:

α为常数，即沟道调制因子λ,

.（详细内容参考教材或课件第2、16章）

两级运放的性能参数与约束分析（以图4为例进行讨论）:

一、几何规则的约束

1、对称及匹配性：

2、器件尺寸的约束：

光刻工艺最小尺寸的限制及版图规则的约束为MOS管的尺寸定下了最大/最小原则

3、面积：

二、直流偏置、功率限制以及信号漂移的限制

1、偏置电路中的偏置电流应根据电流镜原理得到：

2、直流偏置条件：

必须保证M1-M8共八个MOS管都处于饱和工作状态。

假设VCM为共模输入电压，则可以假设它满足：

同样，对于输出电压也有以下不等式存在：

分别分析M1-M8管：

1）对M1、M2管有：

时，M1管也必须工作在饱和区（对一个MOS管，它处于饱和工作区的电压条件是：

从而可以推出以下不等式条件：

………1

2）对M3、M4管，因为M3的G、D端互连，保证了M3管永远工作在饱和区中。

而M4管和M3管完全对称，而且电流相等，从而也就保证了M4管工作在饱和区中。

3）对M5管：

分析可知，若Vd5太大，则Vsd5减小，则M5管将落入线性工作区。

因此必须保证

时，

M5管仍工作在饱和区。

分析得：

……2

上面的不等式中显而易见，不等式的右边必须大于等于零，即

4）对于M6管：

时，必须保证M6管工作在饱和区。

从而得到以下不等式：

………3

5）对于M7管：

时，M7管必须处于饱和区。

则可得：

…….4

6）对M8管，因为Vsg8=Vsd8，所以M8管将无条件满足饱和工作条件。

3、门驱动电压：

在放大器正常工作情况下，必须保证每个管子在工作时远离亚阈值区，同时

也可以提高晶体管的匹配度，从而对每一个管子有如下条件限制：

…….5

在进行电路设计的时候，通常可以假设Voverdrive,min为某个值。

（典型值为200mV）

4、静态功耗:

整个二级运放的静态功耗可以表示为：

……6

一般情况下，可以利用PS≤PS,max的要求对运放进行性能优化，从而获得最小的静态功耗。

三、小信号传输函数约束

二级运放小信号等效电路如图5所示：

图5二级CMOS运放交流等效电路

对于开环增益AV，经分析、推导可以得到

……..7

四、共模抑制比KCMRR

……8（详细原理及步骤参考教材及课件第4章）

五、频率特性与相位补偿技术：

二级运放交流等效电路如图5所示,根据节点电流得到：

，其中：

可以推出

，从而可以得到两个主要极点和一个零点：

1低频极点，即主极点：

②高频极点：

③零点：

由以上分析我们可以看到，CC为极点分割电容，要使放大器稳定工作，最好使

加了补偿电容CC之后，使p1,p2拉开，但同时也产生了零点，而且零点再S平面的右半平面上，因而此零点产生的相移是滞后的，它与极点p1,p2所产生的滞后相移叠加，产生了较大的附加相移。

但是，若z>>GB，则z可以忽略，不影响电路的稳定性。

若z

由于MOS管的gm较低，且CC产生的z不能忽略，当工作频率升高的时候，有可能使得运放的附加相移在未到达−180Ο时，已经使负反馈变成了正反馈。

在低频时，电容CC与放大器构成了积分电路，但是在高频时，CC可以看成短路，则第二级的放大管可以看成D、G相接的二极管，则

.成为了第一级的负载。

此时

，而且相位与低频时相反。

要使得运放的工作状态稳定，则幅频相频特性曲线应如图6所示：

图6稳定工作的运放幅频特性曲线

由图上所示

………9

又因为1C是内部分布电容，所以

从而MOS运放实现单极点响应，即0分贝以上只出现一个主极点p2,

根据这两个式子可以知道：

1、幅频关系：

对只存在极点的情况下，H函数可以表示为：

故而可以约束

为某个确定值或大于等于某个最小值。

（2）主极点限制：

（3）相位阈度PM和单位增益带宽GB：

这两个参数与闭环增益及处于单位增益反馈的放大器稳定性有关。

由以上讨论可以得到以下约束条件：

…....10

……..11

⇨引申阅读：

二级运放的补偿问题

§提高要求设计部分

六、转换速率SR：

1、转换速率SR通常要求：

实际上运放处理的信号通常是阶跃信号，且运放的相应不能够单纯用频率来描述，而用SR和建立时间Tset来表示，这两个参数是运放瞬态相应的两个重要参数。

SR和Tset是在运放的闭环增益为1并且接成跟随器形式的条件下测得的。

定义：

1）转换速率SR：

当运放的闭环增益为1，阶跃大信号（但是其幅值必须小于VCM.min）输入时输出信号VO（t）的最大变化速率（单位为：

V/μs）

2）建立时间Tset：

当运放的闭环增益为1，阶跃大信号输入时刻到输出幅度达到确定的精度范围所需要的时间。

从此定义中可以知道，精度越高，Tset就越长。

当大的阶跃信号输入时，运放的输出电压来不及变化，负反馈信号为0。

所以输入信号全部加在运放的输入级，因此差分放大级处于限幅状态（即进入了非线性状态）。

这时电路输出信号的变化与输入信号无关，决定于运放电路中的CC的充电电流，即决定于SR。

随着输出幅度的增大，使输入到输入级的幅度逐渐减小。

当减小到运放输入级限幅电平时，运放进入线性状态。

取最小转换速率得：

…….12

……13

七、电源抑制比PSRR：

定义：

电源电压变化所对应的输出电压变化着算到输入端的值之比，即

；低频时，PSRR=Av,……（略）

八、版图设计及版图面积优化：

……….（参见教材第18章，在此从略）

6实现与测试

§实现步骤1

图7电路结构选取

图7电路由两级放大器组成，M1－M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。

M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。

M6提供给M7的工作电流。

M8和I1组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。

§实现步骤2

基本参数的确定：

电路中各管工艺参数的选取及测定，电路工作点的设定，MOS器件沟道宽长比的计算。

（详见第5部分内容）

CMOSlevel-1典型的参数（参考教材部分）：

.MODELMNNMOS（LEVEL=1

+VTO=0.7GAMMA=0.45PHI=0.9

+PSUB=9E14LD=8E-8UO=350LAMBDA=0.1

+TOX=9E-9PB=0.9CJ=0.56E-3CJSW=0.35E-11

+MJ=0.45MJSW=0.2CGDO=4E-10JS=1E-8）

.MODELMPPMOS（LEVEL=1

+VTO=-0.8GAMMA=0.4PHI=0.8

+NSUB=5E14LD=9E-8UO=100LAMBDA=0.2

+TOX=9E-9PB=0.9CJ=0.94E-3CJSW=0.32E-11

+MJ=0.5MJSW=0.3CGDO=3E-10JS=5E-9）

求出电路所需的偏置电流大小、补偿电容以及各个晶体管的宽、长：

⒈工作点的设计

1PhaseMargin计算补偿电容：

2根据转换速率SR计算I5：

由静态功耗求得偏置电流Ibias和输出级的电流：

电路中M8、M5、M7的电流比

⒉各MOS管沟道的宽长比计算

1据共模输入电压和M5管的漏极电流计算M3（M4）管的宽长比：

2从Cc和GB来确定gm2（M2管的跨导）：

3由gm2得到（W/L）2：

⑸计算M5管的饱和电压：

⑹由M5管的饱和电压和I5推出M5管的宽长比：

⑺确定M7管的宽长比，根据电流镜原理：

⑻根据相位阈度的要求得到gm6

⑽由Ibias求得M8管的宽长比：

……

由确定的工艺参数、各管子W/L手工计算、检验下列相关参数

1、各节点电压值：

1）共模输入电压

2）运放的输出动态范围=Vout,max−Vout,min

2、开环增益：

1）输入级增益2）输出级增益

3、相位阈度PM

4、共模抑制比KCMRR

5、转换速率SR：

6、面积：

§实现步骤3

1、Hspice网表编写（示例）

*biasingcircuit

m86622MPl=xxw=xxm=xx

iref60dcxx

*firststage

m59622MPl=xxw=xxm=xx

m17892MPl=xxw=xxm=xx

m241092MPl=xxw=xxm=xx

m37700MNl=xxw=xxm=xx

m44700MNl=xxw=xxm=xx

*secondstage

m73622MPl=xxw=xxm=xx

m63400MNl=xxw=xxm=xx

.MODELMNNMOS（LEVEL=1

+VTO=0.7GAMMA=0.45PHI=0.9

+PSUB=9E14LD=8E-8UO=350LAMBDA=0.1

+TOX=9E-9PB=0.9CJ=0.56E-3CJSW=0.35E-11

+MJ=0.45MJSW=0.2CGDO=4E-10JS=1E-8）

.MODELMPPMOS（LEVEL=1

+VTO=-0.8GAMMA=0.4PHI=0.8

+NSUB=5E14LD=9E-8UO=100LAMBDA=0.2

+TOX=9E-9PB=0.9CJ=0.94E-3CJSW=0.32E-11

+MJ=0.5MJSW=0.3CGDO=3E-10JS=5E-9）

cc34xx

CL303p

*inputsignal

*v2100xx

*v180xxacxx

vin1100sin（xxxxxx）

vin280sin（xxxxxx）

*vdd

vdd20xx

.temp25.0000

.OPTIONpost

.op

*.acdec10001100meg

*.probeacvdb（3）vdb（4）

.tran0.1us1ms

.probetranV（v2,vout）

.END

2、相关仿真及测试：

1）管子参数仿真结果（P管、N管）

2）直流工作点分析（各节点电压）

参见附录相关部分。

3）交流小信号仿真分析

参见附录相关示例。

§步骤4

仿真分析后的优化设计、测试。

具体问题具体分析，在此从略

§步骤5

版图设计及优化。

属于提高、选作部分，在此从略。

7设计报告要求

内容完整：

包含运算放大器简介、二级运放工作原理介绍、设计指标；设计过程、优化设计和仿真结果，项目总结，参考文献等。

格式规范：

任务分工明确，报告结构完整，层次分明；图表齐全，分析到位，数据准确、翔实。

以小组为单位提交电子版和纸质打印版。

8考核与评价

考核项目

所占比重

项目功能定义

占项目总成绩的10%

系统设计与模块划分

占项目总成绩的20%

各子模块的详细设计

占项目总成绩的30%

系统集成及优化

占项目总成绩的20%

终结型文档的撰写

占项目总成绩的10%

答辩

占项目总成绩的10%

项目评分标准：

序号

评分项

A

B

C

D

1

项目功能定义

目标明确，功能定义良好，指标优异

目标明确，功能定义到位，指标良好

目标基本明确，功能定义一般，指标一般

目标不明确，功能定义不到位，指标不全或模糊

2

系统设计与模块划分

结构合理，分析透彻，思路方法正确、清晰；

结构合理，分析到位，思路方法基本正确、

结构完整，分析一般，思路方法大致正确

结构不合理，分析不到位，思路方法不正确、不清晰

3

各子模块的详细设计

都实现，指标优异，有创新

基本都实现，指标良好，缺乏创新

基本都实现，指标一般，需要提示或帮助

无法实现，提示或帮助也无法完成

4

系统集成及优化

所有功能都实现，指标优异，有创新

功能都能实现，指标良好，无创新

功能实现一般，指标一般，需要提示或帮助

无法实现，提示或帮助也无法完成

5

终结型文档的撰写

规范，内容完整，合理，科学、翔实、准确

规范，内容基本完整，合理，基本翔实、无误

内容不太完整或有不合理处，不够翔实、准确

不规范，内容不完整，有大量错误

6

答辩情况

思路清晰，表达清楚，所有回答正确、简练

思路清楚，表达良好，回答基本正确或需要提示

思路正确，表达一般，回答有误或需要提示

思路混乱，表达含糊，回答全错

总成绩评定标准

等级

评定指标（定性与定量结合）

A优秀（100-90）

学习态度好，课程项目完成质量高，项目综合成绩90分以上。

B良好（89-80）

学习态度较好，课程项目完成质量较高，综合成绩80分以上。

C中等（79-70）

合格（69-60）

学习态度较好，课程项目完成质量一般，综合成绩60-70分。

学习态度一般，基本能够完成课程项目，综合成绩分以上。

D不合格（60以下）

学习态度较差，实验作业、课程项目等完成质量较差，平时成绩和期末成绩综合60分以下。

9参考文献

《模拟CMOS集成电路设计》，拉扎维著西安交通大学出版社2006.8

《CMOS模拟集成电路》第二版，P艾伦著电子工业出版社2006.5

《CMOS电路模拟与设计-基于Hspice》,钟耀文编著科学出版社2009.10

附录

一、部分前端仿真（测试）图：

图a二级运放的开环、差模放大输出瞬态仿真

图b二级运放的开环、小信号交流仿真（增益、带宽）

图c二级运放的开环、小信号交流仿真（相位）

图d二级运放的开环、共模放大瞬态仿真

…………..

二、部分仿真报告内容（试分析）：

（1）：

***************************************************************************

***commonmodelparametersmodelname:

0:

mnmodeltype:

nmos***

***************************************************************************

namesvaluesunitsnamesvaluesunitsnamesvaluesunits

------------------------------------------------

1***geometryparameters***

ld=80.00nmeterslmlt=1.00wd=0.meters

wmlt