基于Spectre运算放大器的设计

《集成电路CAD》课程设计报告课题：基于Spectre运算放大器的设计一：课程设计目标及任务利用Cadence软件设计使用差分放大器，设计其原理图，并画出其版图，模拟器各项性能指标，修改宽长比，使其最优化。二：运算放大器概况运算放大器（operationalamplifier），简称运放（OPA），如图1.1所示：图1.1运放示意图运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管或真空管、分立式元件或集成电路元件，运算放大器的效能都已经接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计的，现在多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。三：原理图的绘制及仿真3.1原理图的绘制首先在Cadence电路编辑器界面绘制原理图如下：图3.1电路原理图原理图中MOS管的参数如下表：InstancenameModelW/mL/mMultiplierLibraryCellnameViewnameM1nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbolM2nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbolM3pmosl1.1u550n1Gpdk180pmossymbolM4pmosl1.1u550n1Gpdk180pmossymbolM5nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbolM6nmosl800n500n1Gpdk180nmossymbol另：图中所使用的电压源为5v3.2运算放大器的增益仿真首先绘制测试电路原理图如下：图3.2.1运算放大器增益仿真电路图图中包含运算放大器电路和偏置电路两部分。偏置电路为运算放大器提供电源电压（VDD）、共模电压（Vcm）以及偏置电流（Ibias），从而确定运算放大器的直流工作点。输入电压加在运算放大器的两个输入端之间，大小设置为1V的交流信号，从而使得输出电压的大小与增益一致，从而减少了设计步骤。在ADE窗口选择交流仿真，扫描变量为频率，扫描范围为0.1Hz~1GHz。完成设置后进行仿真。因为输入交流电压是1V，因此输出端“Vout”的电压值等于运算放大器的增益。为了观察幅频特性，需要计算输出端电压的幅值。通过“Mag”，对“Vout”进行取幅值的预处理，然后就可以将处理好的仿真结果输出到“Waveform”中观察。得到如下图：图3.2.2增益的幅频特性对于运算放大器的幅频特性，除了直接显示幅值以外，更一般的是显示增益幅值的dB曲线，即对幅值作“20log(n)”变化，得到如下图所示：图3.2.3增益幅值的dB曲线对于运算放大器的相频特性，在“ResultsBrowser”中选择“phase”函数对交流仿真结果进行预处理后输出得到。并通过“Append”命令，将相频特性添加到原有的幅频特性中，如图所示：图3.2.4红色代表“幅频”，蓝色代表“相频”3.3运算放大器的带宽仿真这里说的带宽，主要是指运算放大器的小信号带宽。常用的义有两个：3dB带宽和单位增益带宽。仿真原理图如下：图3.3.1带宽仿真电路图3.3.13dB带宽定义：Av(w0)=20lgAv(0)-3dB首先观察增益的幅频特性曲线，并根据3dB带宽的定义测量得到3dB的带宽。在“Waveform”窗口中，将光标移到增益幅频曲线的低频部分，点击快捷键“m”，在曲线上添加标签，给出标记点的横坐标和纵坐标（1.1118Hz，37.24dB）。接着点击快捷键“V”，将光标切换成竖直光标类型，即光标变成一条垂直的直线，并且直线上方有一个红色的倒三角，通过拖动该三角，可以移动垂直光标。如图3.3.2所示，垂直光标和运算放大器增益幅频曲线的交点的坐标（7.8915MHz，34.27dB）在波形的左上角给出，并随着垂直光标的左右移动实时改变。当增益为34.27dB时，输入信号的频率为7.8915MHz，因此可以近似认为3dB带宽为7.8915MHz。图3.3.2增益的幅频特性曲线精确获得3dB带宽的方法是使用“Calculator”软件中“bandwidth”函数。在“ResultsBrowser”中的“ac-ac”中选择“Vout”仿真结果。右键选择“Calculator”。仿真结果被输送到“Calculator”中，选择“bandwidth”函数。输入参数点击“OK”完成“bandwidth”的设置，点击“Eval”键，将在“Calculator”缓存窗口中显示计算的运算放大器的3dB带宽。如下图所示：图3.3.33dB带宽从图3.3.3中科院看出该运算放大器的3dB带宽为8.256MHz。3.3.2单位增益带宽和3dB带宽一样，运算放大器的单位增益带宽也可以用“Calculator”中的“cross”函数计算，该函数是专门用来计算曲线经过一个特定阈值的横坐标。对于计算单位增益带宽，只需要对运放的增益曲线使用“cross”，并将阈值设为“1”，函数返回的值即是运放的单位增益带宽。设置好“cross”函数的参数后点击“Eval”的到：图3.3.4单位增益带宽从图3.3.4可以看出该运算放大器的单位增益带宽约为556.4MHz。3.4运算放大器的建立时间建立时间（settlingtime）是衡量运放反应速度的另一项重要指标，它表示从跳变开始到输出稳定的时间。它主要是针对运算放大器的小信号特性，在跳变过程中，运放还保持线性。在实际电路设置中，可以通过“Calculator”中的“settlingtime”函数来测量运算放大器的建立时间。首先将运放连接成单位增益负反馈的形式，即将运算放大器的反相输入端和输出端短接，从而使得负反馈系统的闭环增益为1，即输入电压跟随加载在运算放大器同相端的输入信号。在运算放大器的同相载一个幅度为2mV的阶跃信号，如下图所示：图3.4.1建立时间仿真电路图差分输入的阶跃信号电压源使用一个脉冲电压源来模拟。该脉冲电压源可以在“analogLib”库中找到，其名为“vpulse”。脉冲的低电平为0V，高电平为2mV，跳变延迟为10ns，上升和下降沿宽度为10ps，脉冲宽度为1s。因此当瞬态仿真时间小于1s时，都可以将该脉冲电压看作10ns处跳变的阶跃电压。因为建立时间是运算放大器在时域对输入信号响应的一个性能参数，因此为了对此进行仿真测量，需要进行瞬态仿真。在ADE窗口中选择“tran”，结束时间设为“200ns”，仿真精度设为“conservative”，将“Vout”作为输出端，开始仿真。得到如下图：图3.4.2建立时间瞬态仿真在“Calculator”中保持“SelectMode”处于选择状态，在选择模式中选择“tran”里的“vt”项，点击电路图中的“Vout”，将“Vout”端的瞬态电压仿真结果捕获到“Calculator”中，设置好参数后点击“Eval”得到计算结果如下：图3.4.3建立时间计算结果从图中可以看出该运算放大器的建立时间为17.5ns。3.5运算放大器的相位裕度仿真图3.5.1相位裕度仿真电路图相位裕度（phasemargin,PM）是电路设计中很重要的一项指标，主要用来表示负反馈系统的稳定性，同时可以用来预测闭环系统阶跃响应的过程。相位裕度的定义为：运算放大器增益的相位在增益交点频率时，与-180°相位的差值，表达式为：PM=∠Av（wl）-(-180°)=∠Av（wl）+180°，式中wl为运算放大器的增益交点频率（使增益幅值等于1的频率点为“增益交点”）。利用“Calculator”的“phase-Margin”函数获得运算放大器的相为裕度如下图所示：图3.5.2相位裕度从图中可以看出该运算放大器的相位裕度为65.33°。3.6运算放大器的转换速率仿真图3.6.1转换速率仿真电路图进行瞬态仿真后，输出电压的时域响应如下图所示：图3.6.2输出电压的时域响应从上图中可以看出，输出电压“Vout”在跳变之后的一段时间内并没有按指数规律变化，而是表现出具有不变斜率的线性斜率。这就是负反馈电路中使用的运算放大器表现出的所谓“转换”的大信号特性，图中输出响应中的“斜坡”部分的斜率称为“转换速率”。通过使用“Calculator”中的“slewRate”函数根据瞬态仿真结果计算运放的转换速率。得到结果如下：图3.6.3转换速率从图中可以看出该运算放大器的转换速率约为0.4729V/us。3.7运算放大器的共模抑制比仿真差动放大器的一个重要特性就是其对共模扰动影响的抑制能力（CMRR）仿真电路图如下：图3.7.1CMRR仿真电路图再次进行交流仿真，得到输出端“Vout”的增益曲线，即为运算放大器CMRR的倒数的幅频特性曲线，这里为了方便观察，采用了dB作为纵轴单位。如下图所示：图3.7.2CMRR倒数的幅频特性曲线为了观察运算放大器CMRR的幅频特性曲线，可以使用“Calculator”中的“1/X”函数，对仿真结果取倒数。如下图所示：图3.7.3CMRR的幅频特性曲线（蓝色曲线）3.8运算放大器电源电压抑制比仿真因为在实际使用的电源也含有噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器输出端的。把运算放大器输入到输出增益除以电源到输出的增益定义为运算放大器的电源抑制比（Powersupplyrejectionratio,PSRR），所以电源抑制比可以写为：/0=/V0VddDDinAVPSRRA式中的Vdd=0和Vin=0是指电压源和输入电压的交流小信号为零，而不是指它们的直流电平。仿真电路图如下：图3.8.1PSRR仿真电路图再次进行交流仿真，得到输出端“Vout”的增益曲线，即为PSRR的倒数的幅频特性曲线。如下图所示：3.8.2PSRR倒数的幅频特性曲线使用“Calculator”中的“1/X”函数，对仿真结果取倒数。如下图所示：图3.8.3PSRR的幅频特性曲线（蓝色曲线）由于电路仿真时，认为MOS管都是完全一致的，没有考虑制造时MOS管的失配情况，因此仿真得到的PSRR都要比实际测量时好，因此在设计的时候需要留有余量。四：运算放大器的版图布局4.1版图设计这次我们的版图设计采用的是对管的形式，即对角线为一个管子，采用并联的形式将两个管子并联起来作为一个管子。这样做的好处是可以抵消电流差，是电流保持一致。首先我们调用四个pmos和七个nmos单元，将两个pmos并联形成一个pmos，两个nmos并联形成一个nmos，将剩余的一个nmos单独使用。然后根据原理图连接如下图所示：图4.1.1差分运放版图4.2版图验证首先进行DRC电气规则检查，然后进行LVS检查，得到如下图所示结果了，则证明版图没有错误：版图验证无误后进行设计的后仿真，打开测试电路，启动ADE仿真窗口。选择Steup→Environment,在框内schematic前加入av_extracted，点击OK。接着运行得到的波形图与前仿真图进行对比：图4.2.1后仿真波形图对比两图可以看出他们的波形一致。感想：从这次课程设计中，我学到了很多东西，我巩固了对这个软件的使用，进一步了解版图的设计方法，在设计版图的过程中也遇到了许多困难，在解决这些困难的过程中，我学到了很多新的知识，学会了如何直接在版图中直接调用原理图，总之，这些对我以后的学习都很有帮助。