毕业论文bicmos集成运算放大器的电路分析及版图设计.docx

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毕业论文_Bi-CMOS集成运算放大器的电路分析及版图设计

毕业论文题目:

Bi-CMOS集成运算放大器的电路分析及版图设计

摘要集成运算放大器是一种重要电子元器件，在电子产品中得到广泛应用,可作为误差放大器、比较器、滤波器等。

理想的放大器应该无噪声、具有无穷大增益和输入阻抗、无穷小输出阻抗以及零失调电压等。

在这篇论文中，我本文主要研究了运算放大器电路的工作原理和版图设计，同时还了简要解了Bi-CMOS工艺步骤。

运算放大器电路主要包括输入级、偏置电路、中间级和输出级，输入信号加载到输入级并在合适的偏置下通过输出级得到放大信号。

版图设计主要是熟悉设计规则，布局布线合理美观，并要进行DRC验证和LVS验证。

Bi-CMOS工艺可满足现代大规模集成电路对器件性能的要求，特别适用于高压和大电流的功率电路，在今后的高性能集成电路中有很大的发展潜力。

dB,输出共模范围为3.5V，失调电压为6.5mV，摆率较小的放大器电路设计。

绘制出了放大器的版图，并且通过了进行DRC验证和LVS验证。

关键词：

放大器,电路,版图,工艺Subject:

AnalysisandlayoutdesignofCMOSintegratedOP

AbstractIntegratedoperationalamplifierisanimportantelectroniccomponents,itisusedinelectronicapplicationsisveryextensivecurrently,forexample,itcanbeusedasamplifiers,comparators,filters,etc.Theidealamplifiershouldwithoutnoise,hasinfinitegainandinputimpedance,infiniteoutputimpedanceandzerooffsetvoltage.

Inthispaper,Imainlystudytheworksoftheopampcircuitprincipleandlayoutdesign,andalsostudybrieflythesolutionoftheBi-CMOSprocesssteps.Theopampcircuitincludingtheinputstage,biascircuit,themiddlestageandoutputstage.Theinputsignalisloadedintotheinputstageandoutputstageamplifiesthesignalintherightbias.Layoutdesignmainisfamiliarwiththedesignrules,thelayoutwiringreasonableandbeautiful,andmustcarryontheDRCvalidationandLVSverification.Bi-CMOStechnologytomeettherequirementsofmodernLVSIdeviceperformance,especiallysuitableforhighvoltageandhighcurrentpowercircuit,thereisgreatpotentialinfuturehighperformanceintegratedcircuits.

Bythegraduationproject,Icompletedagainof86dB;theoutputcommon-moderangeis3.5V,theoffsetvoltageof6.5mV,smallerslewrateamplifiercircuitdesign.Mapouttheterritoryoftheamplifier,andthroughtheDRCverificationandLVSverification.Keywords:

Amplifier,Circuit,Layout,Process

目录第一章绪论1

1.1集成运算放大器研究的目的和意义1

1.2集成运算放大器的发展与前景2

1.3本文的主要研究内容4

第二章CMOS运算放大器电路的理论知识5

2.1集成电路的设计流程5

2.1.1功能设计阶段5

2.1.2设计描述和行为级验证5

2.1.3逻辑综合5

2.1.4门级验证6

2.1.5布局和布线6

2.2CMOS运算放大器电路的特点6

2.2.1集成电路的特点6

2.2.2集成运放电路的组成及各部分的作用7

2.3CMOS运算放大器的设计原理8

2.3.1集成运放电路基本原理8

2.3.2集成运放电路主要性能指标9

2.3.3集成运放电路的设计流程11

2.4CMOS集成运放电路的设计11

2.4.1建库11

2.4.2CMOS集成运放的电路图13

2.4.3CMOS集成运放的电路图仿真13

2.4.4CMOS集成运放的参数计算19

第三章CMOS运算放大器后端设计22

3.1版图的设计流程22

3.1.1整体设计23

3.1.2分层设计23

3.1.3版图检查23

3.1.4寄生参数的提取和后仿真24

3.1.5版图的整体检查24

3.1.6完成版图25

3.2编辑版图25

3.2.1建立版图单元25

3.2.2建立底层单元25

3.2.3编辑电路版图29

3.3版图验证的具体过程31

3.3.1DRC验证32

3.3.2提取Extract文件34

3.3.3LVS验证35

第四章Bi-CMOS工艺37

4.1Bi-CMOS工艺的结构特点37

4.2Bi-CMOS工艺的发展与应用37

4.3Bi-CMOS工艺的分类38

4.3.1以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺38

4.3.2以双极型工艺为基础的Bi-CMOS工艺39

4.4Bi-CMOS工艺的工艺步骤39

第五章总结45

致谢47

参考文献48

附录（DRC验证规则）49

第一章绪论

集成运算放大器OperationalAmplifier,缩写为OP，它是带深度负反馈并由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路，其特点是增益很大（可达60dB-180dB），输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高（60dB-170dB），失调电压小，温度漂移小，可用于正信号和负信号的输入与输出。

因为其成本低，功能强大，性能好等优点，所以广泛应用于日常生活、工业生产以及高科技等各个方面。

1.1集成运算放大器研究的目的和意义

集成运算放大器在集成电路中的应用非常广泛，它是由偏置电路、输入级、中间级和输出级组成的高增益模拟集成电路。

理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压。

一般而言，高精度运放主要测试测量仪、汽车电子以及工业控制系统等高速主要用于通信视频以等产品；低电压/低功耗运放主要手机、PDA等便携式电子产品。

通用运算放大器应用最，需要简单信号或信号电子系统都可通用运放。

电压型集成是一种放大倍数的直接耦合放大器目前广泛应用。

集成电路的输入与输出接不同的反馈网络，可实现不同的电路信号运算、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等利用集成运算放大器非常方便的完成信号放大信号的处理波形的产生和变换滤波调制。

集成运算放大器的种类非常多，。

每一代的电子在晶片上集成越来越多的功能，集成越来越的模拟电路。

随着数字应用，模拟应用也会相应增加，数据转换和接口的功能。

每一代新电子的都提出了新要求，因此，需要集成的发展十分迅速。

通用经历了四代，同时，发展了特殊需要的专用型集成运放各项技术指标不断改进。

了解各类集成运放的特点它们的技术指标在工作中能够根据要求正确地选用。

第一代集成运放基本上数字集成电路的制造工艺，也采用如横向PNP管特殊元件、共模负反馈电流恒流源等电路，它们能够达到中等精度的要求。

第二代的特点是采用有源负载，在不增加放大级的情况下获得高的开环增益。

两级使防止自激的校正措施比较简单。

电路中还有短路保护，防止过流造成损坏。

第三代特点输入级采用了超β管，使等项参数值下降。

在版图设计方面，输入采用对称设计，使超β管产生的温漂抵消，因此在失调电压、失调电流、共模抑制比、开环增益和温漂等方面的指标都得到改善。

第四代的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。

输入级采用MOS场效应管，输入电阻，调制和解调自稳运算放大器，使失调电压和温漂进一步降低。

专用型运放在某些单项指标比较高。

高精度集成运放的特点漂移和噪声很低，共模抑制比开环增益很高，减小集成运放的误差，达到很高的精度低功耗型集成运放的静态功耗比通用型一般低1～2个数量级，要求的电源电压很低，不仅静态功耗低，而且能获得较高的开环差模增益和共模抑制比等保持良好性能高阻型集成运放通常利用场效应管组成差分输入级在带通滤波器以及某些信号源内阻很高的电路中，需要使用高输入电阻的运算放大器，以减小对被测电路的影响高压型集成运放的特点是输出电压动态范围大，电源电压高，的功耗也高高速型集成运放的主要特点是在大信号工作状态下具有的频率特性在A/D和D/A转换器、滤波器、高速采样－保持电路和比较器等电路中，要求集成运放具有较快的转换速率以获得较短的过渡时间来保证电路的精度大功率型集成运放在提供较高的输出电压的同时，还能较大的输出电流，在负载上可以得到较大的输出功率。

从市场需求看，全球对都保持增长尤其在消费和通讯领域。

通讯和网络基础设备市场已经，未来几年这设备在会有很大增长。

而这些应用高速驱动器低噪声低输入运放。

”

从应用角度，不同的系统对运放不同要求，选择合适的运放对于系统设计重要。

对于通信、高速测量仪及超声波设备等高速，交流特性重要衡量系统在交流特性方面的参数有失真率、信号带宽噪声等；对于系统直流特性更为重要衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、输入偏置电流、开环增益及共模抑制比等。

近年来消费电子、通讯等应用领域的发展对，低功耗以及良好的匹配性能都十分重要。

在因素推动下，运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展Cadence软件中进行版图设计的具体步骤以及需要注意的地方；画完版图后，须进行版图的几何验证即DRC验证以及版图和电路原理图的对应验证即LVS验证。

在第四章，我大概介绍了Bi-COMS工艺。

首先简单介绍了一下双极性工艺，CMOS工艺以及Bi-COMS工艺，并进行了对比，已体现出Bi-COMS工艺的优点。

其次，我简单介绍了Bi-COMS工艺的主要流程。

第二章CMOS运算放大器电路的理论知识

2.1集成电路的设计流程

2.1.1功能设计阶段

设计人员需要根据产品的应用场合，根据一些诸如功能、性能要求、工作环境以及功耗等规格，明确电路设计时的大致方向。

更可进一步确定软件模块及硬件模块该如何划分:

哪些功能应该划分到片上系统（SOC）内，通过软件实现其功能;哪些功能可以设计在电路里，通过硬件实现。

2.1.2设计描述和行为级验证　　

功能设计完成后，可以依据功能将SOC划分为若干功能模块，并决定实现　　这些功能将要使用的IP核。

这个阶段的设计将接影响了SOC内部的构架及各模块之间的相互联系，还有设计出来产品的稳定性。

决定模块之后，可以用VHDL或Verilog等硬件描述语言实现各模块的设计。

接着，利用VHDL或Verilog的电路仿真器，对设计进行功能验证（functionsimulation，behavioralsimulation）。

synthesizer）进行综合，即将VHDL或Verilog语言编写的行为模型转换为电路模型。

在综合过程中，需要选择合适的逻辑器件库（logiccelllibrary），以作为合成逻辑电路时的参考依据。

硬件语言设计描述文件的编写格式是决定综合工具执行效率的一个重要因素。

逻辑综合后得到门级网表。

2.1.4门级验证

门级功能验证是寄存器传输级验证。

其主要的内容是要确认经综合后的逻辑电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。

必须提及的是，这个阶段的验证仿真需要考虑门电路的延迟。

2.1.5布局和布线　　

布局指将设计好的功能模块合理地摆放在芯片上，规划好它们的位置，其目的是在不影响性能的情况下尽量减小它们的布局面积。

布线则指完成各模块之间互连的连线，其目的是尽量减小连线的长度和环线的面积，使电路的延迟和辐射等干扰达到最小。

2.2CMOS运算放大器电路的特点

2.2.1集成电路的特点

集成电路是通过氧化、光刻、扩散、外延、离子注入、金属化等集成工艺，把晶体管，电阻，电容，电感等器件连接在一起集中制作在一小块半导体基片上，构成一个具有一定功能的电路。

按功能可分为模拟集成电路即对模拟信号进行处理的集成电路，数字集成电路即对数字信号进行处理的集成电路和数模混合电路即对数字信号和模拟信号进行处理的集成电路三两大类，其中集成电路运算放大器在模拟集成电路中应用最广泛，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。

※集成电路的特点：

1．单个元件精度不高，受温度影响也大，但元器件的性能参数比较一致，对称性好。

适合于组成差动电路。

　　2．阻值太高或太低的电阻不易制造，在集成电路中管子用得多而电阻用得少。

　　3．大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合。

在集成电路中，为了不使工艺复杂，尽量采用单一类型的管子，元件种类也要少所以，集成电路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点。

常用二极管和三极管组成的恒流源和电流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流，二极管用三极管的发射结代替。

※集成运放电路的特点：

1．电路结构与元件参数具有对称性。

由集成工艺制造的元件，参数的精度不高，而且器件受温度的影响比较大，但由于各个元件都做在同一个硅片上，距离近，所以电路的对称性比较好，。

2.采用复合电路。

由于复合电路的性能比较好，所以大部分放大电路采用复合管，其缺点是制作工艺比较复杂。

3.有源器件代替无源器件。

在集成电路的制作工艺中，有源器件比无源器件的制作方便，而且面积小，所以常用有源器件代替无源器件。

4.各级之间采用直接耦合的方式。

在集成电路中，容量大的电容不易制作，而且采用阻容耦合会使得电路的延迟变大，所以集成运算放大器各级之间一般采用直接耦合的方式。

2.2.2集成运放电路的组成及各部分的作用

※电路组成（如图2.1）图2.1放大器的组成

※电路各部分的作用

如图2.1所示，集成运放电路由四部分组成输入级是一个双端输入的，要求其大静态电流小，该级直接影响的性能，所以。

中间级作用是集成，。

输出级输出，要求线性范围宽，非线性失真小等。

偏置电路集成运放各级放大电路的静态工作点图2.2放大器的符号

为了提高放大器的性能，一般会将放大器的输出端和反响输入端短接起来，形成负反馈，负反馈的作用是保证电路工作是的稳定性。

在电路处于深度负反馈时，可利用理想运算放大器工作在线性区时的"虚短"即正向输入端和反向输入端的电流相等和"虚断"（即正向输入端和反向输入端的点位相等）这两个特点来分析电路。

2.3.2集成运放电路主要性能指标

1.输入失调电压输入失调电压是指当输入电压为零时，由于电路内部结构和器件参数的影响，输出电压不为零。

为了使输出电压为零，在输入端所加的补偿电压即为输入失调电压。

它表征运算放大器内部电路对称性的指标，一定程度上也反映温漂的大小（一般只有几毫伏）。

2.输入失调电压温漂d/dT输入失调电压温漂是指在规定的工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量的比值，也就是的温度系数，它是衡量运算放大器温漂的重要参数，其值越小越好。

这个指标比输入失调电压更重要，因为输入失调电压可以通过调节电阻的阻值使其降为零，输入失调电压的温漂却无法降为零。

3.输入失调电流输入失调电流是指在输入电压为零时，输入级的差分对管基极（或漏极）电流的差值，这个参数用于表征差分级输入电流不对称的程度（一般为1nA―0.1uA）。

4.输入失调电流温漂d/dT

输入失调电流温漂是指在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量的比值。

也就是的温度系数，其值越小越好。

5.输入偏置电流输入偏置电流是指当输出电压为零时，运算放大器的两个输入端偏置电流的平均值，这个参数用于衡量差分放大对管输入电流的大小（一般为10nA―1uA）。

6.最大差模输入电压最大差模输入电压是指运算放大器的两输入端所能承受的最大差模输入电压，超过这个电压时,差分输入管会发生反向击穿现象。

7.最大共模输入电压最大共模输入电压是指保证运算放大器正常工作的前提下，共模输入电压的最大值。

如果输入大于这个值，差分输入管饱和，则放大器失去共模抑制能力。

8.开环差模增益开环差模增益是指在运算放大器没有外加反馈时，输出的电压值与输入的电压值之比（一般为100dB―140dB）。

9.共模抑制比KCMR共模抑制比即差模电压增益与共模电压增益之比，常用分贝数来表示，

KCMR20lg/）dB。

它是衡量差放输入级的对称程度和运算放大器抑制共模干扰信号能力的参数，也可以用来衡量运算放大器抑制温漂的能力。

其值越大越好（一般为80dB-160dB）。

10.差模输入电阻差模输入电阻是指输入差模信号时，运算放大器的输入电阻，即差模输入的电压值与相对应的输入电流值之比，可衡量放大器向信号源索取电流的能力。

11.单位增益带宽BWG单位增益带宽BWG是指当共模增益下降到1时所对应的频率。

12.转换速率压摆率转换速率是指在额定负载的条件下，输入一个大的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。

它反映运算放大器对快速变化的输入信号的响应能力。

2.3.3集成运放电路的设计流程

1.确定运算放大器的偏置电流。

2.确定MOS管的栅源电压。

在给定偏置电流时，增大MOS管的宽长比（一般长不变，宽增大），则电路的共模抑制比增大，噪声减小，电路的匹配性好，增益增大。

但缺点是增加了版图面积和寄生电容，电路的工作速度减小。

3.确定器件的尺寸。

4.确定放大器的补偿。

2.4CMOS集成运放电路的设计

2.4.1建库

我们编辑版图是在Cadence软件中的VirtuosoLayoutEditor的版图编辑环境中来进行版图的编辑。

我们首先在系统中建立自己的库，如图2.3所示：

图2.3建库窗口

建完库后，就可以在自己的库下面建立电路编辑单元，如图2.4所示：

图2.4建立电路编辑窗口

2.4.2CMOS集成运放的电路图

打开电路编辑单元就可以进行电路编辑了。

其编辑结果如图2.5所示：

图2.5电路原理图

在这次设计中，我采用差动放大电路作为运算放大器的输入级。

如电路图所示，其要求是两个管子和的参数完全相同，而且两个管子的温度也完全对称，这样的要求可以效抑制共模噪声。

、和三管的作用是给电路提供合适的直流偏置。

和的镜像电流，其作用是使和两个管子漏端的电压差为零，把下一级偏置在一个特定的电流水平。

为电流源。

和是共源放大器，可作为二级放大。

和组成输出级。

2.4.3CMOS集成运放的电路图仿真

对编辑好的电路原理图进行保存，如果提示有错误，则需仔细查看并进行改正，直至没有报错。

下来就可以进行电路仿真了。

动态仿真是通过仿真器不断向电路模型输入激励信号，仿真器将验证的结果记录下来，然后通过各种方法判断输出的结果是否满足技术指标。

电路仿真Composer-schematic界面中的Tools→AnalogArtist项可以打开AnalogArtistSimulation，出现如图2.6所示的窗口。

填写Session（包括SchematicWindow、SaveState、LoadState、Options、Reset、Quit等菜单选项），Setup（包括Design、Simulator/directory/host、Temperature、ModelPath等菜单选项），Analyses（选择模拟类型，在Spectra下有ac、dc、tran、noise四个选项，分别对应的是交流分析、直流分析、瞬态分析和噪声分析。

我们知道：

交流分析是分析电流（电压）和频率之间的关系，因此在参数范围选择时是选择频率。

直流分析是分析电流【电压】和电流【电压】之间的关系。

Tran分析是分析参量值随时间变化的曲线）。

等选项中的交直流电压、电流、温度等仿真所需的参数，然后选择需要仿真的端口，最后点击绿灯就可以进行电路的参数仿真了。

图2.6仿真窗口

※仿真的具体步骤

1.在EditVariables窗口中添加新的变量,如是对系统变量如温度扫描，就略去这一步。

2.在ParametricAnalysis窗口中，填入变量名称（温度变量是temp），设定扫描范围以及步长等。

也可以点击setup，在picknameforvariables的弹出菜单中选择所需扫描的参量（除系统参量外，菜单中所列举的都是variables中设置的变量）。

3.Outputs/Tobeplotted/selectedonschematic子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形（点击连线选取节点电压，点击元件端点选取节点电流），这个菜单比较常用。

当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。

比如说：

带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在Outputs/setup中设定其名称和表达式。

在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。

4.然后运行Analysis菜单下的start子菜单，开始模拟，模拟结果会在Waveform窗口中显示。

※运算放大器电路图的仿真结果大信号和小信号的瞬态响应分别由将一个0V和5V脉冲作用到单位增益结构所决定正摆率和负摆率，负摆动的大过冲是由输出级造成的，原因是电路确定的期望摆率值对负载电容充电的电流不足。

1.其瞬态总响应如图2.7所示：

图2.7总瞬态响应

2.其大信号上升响应如图2.8所示，摆率为4.65V/2.08485uS2.23V/uS。

图2.8大信号上升响应

3.其大信号下降响应如图2.9所示，摆率为-4.8V/3.558552uS-1.35V/uS图2.9大信号下降响应

4.其小信号上升响应如图2.10所示，摆率为0.09977V/928.38681uS-0.1mV/uS图2.10小信号上升响应

5.其小信号下降响应如图2.11所示，摆率为-81.499mV1.226486uS-66.45mV/uS图2.11小信号下降响应

6.共模输出范围如图2.12所示，其共模输出范围为3.5V。

图2.12共模输出范围

7.失调电压仿真如图2.13所示，其失调电压约为6.5mV。

图2.13失调电压

8.相位裕度仿真如图2.14所示，相位裕度为180°－70°