2015集成电路课程设计

HHaarrbbiinnIInnssttiittuutteeooffTTeecchhnnoollooggyy课课程程设设计计说说明明书书（（论论文文））课程名称：模拟集成电路课程设计设计题目：采用电阻电容做miller补偿的二级运算放大器的设计与实现院系：航天学院微电子科学与技术系班级：设计者：学号：指导教师：王永生设计时间：2015年7月13日-2015年7月24日哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书姓名：院（系）：航天学院微电子科学与技术系专业：电子信息科学与技术班号：任务起至日期：2015年7月13日至2015年7月24日课程设计题目：采用电阻电容做miller补偿的二级运算放大器的设计与实现已知技术参数和设计要求：第一部分电路设计与模拟选择题目，并开展电路设计。·确定电路结构；·设计电路中各器件尺寸以达到设计参数要求；·采用Hspice或Spectre对电路按照题目要求进行相关的直流、交流、瞬态等仿真。（例如对于放大器，进行以下相关特性进行仿真，诸如开环增益的幅频和相频响应、CMRR、PSRR、共模输入范围、输出电压摆幅、压摆率（slewrate）、建立时间、噪声、功耗等。）第二部分版图设计与验证·掌握所给CMOS集成电路工艺规则，进行版图设计；·根据CMOS集成电路工艺规则文件，对版图进行DRC验证；·完成版图与电路的一致性检查（LVS验证）；·完成版图的寄生参数提取（PEX）。基本要求：·学会电路原理图和版图编辑软件的使用；·学会电路模拟软件的使用；·掌握集成电路性能与电路结构和器件尺寸之间的关系，能够正确分析和设计电路；·掌握CMOS集成电路制造工艺基本流程及其所需的光刻掩膜版，以及每块光刻掩膜版的作用，能够识别集成电路版图；·掌握集成电路版图设计规则的含义以及消除或减小寄生效应的措施，能够正确设计集成电路版图；·学会版图设计规则检查（DRC）、电路与版图一致性检查（LVS）、版图参数提取（LPE/PEX）软件的使用。·要求学生设计实践结束后撰写实践报告，提供各个设计实践环节的结果。工作量：本课程设计在每位同学学习集成电路设计及版图EDA工具的使用的基础上，在备选参考题目中任选其一，完成电路设计及版图设计。熟悉开发环境、学习电路设计和版图设计EDA工具使用以及相关电路的仿真技术：10学时分析题目、确定设计方案：5学时设计、验证以及仿真分析、整理数据：25学时工作计划安排：2015.7.13--2015.7.13学习spectre等电路设计EDA工具软件，分析设计题目2015.7.14--2015.7.17设计电路，进行电路仿真和验证2015.7.20--2015.7.20学习virtuoso、calibre等版图设计EDA工具软件2015.7.21--2015.7.23根据所给的工艺规则进行版图设计，并整理数据2015.7.24撰写课程设计报告同组设计者及分工：无同组者指导教师签字___________________年月日教研室主任意见：教研室主任签字___________________年月日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）一、功能描述设计一个采用电阻电容做miller补偿的二阶运算放大器，满足如下要求，其中负载电容CL=1pF。Av10000V/V，VDD=5V，GB=5MHz，SR10V/µs，60°相位裕度，Vout摆幅=0.5~4.5V,ICMR1.5~4.5V，Pdiss≤2mW二、电路设计1.设计思路为了同时满足高增益和大的输出摆幅的要求，我们需设计一个二级运算放大器，但这不可避免地引入了额外的极点。由于运放一般闭环工作，所以为了避免运放振荡，我们在设计时必须考虑频率补偿，使其满足一定的相位裕度，但相位裕度过大，运放的时间响应速度慢，60度的相位裕度刚刚好，我们应该努力达到这一值。Miller补偿是一种非常好的补偿方法，但会引入右半平面的零点，考虑将一个电阻与miller电容串联，将引入的零点移到左半平面，同时与第一非主极点对消，从而可以达到良好的效果。运算放大器采用差动输入方式有很多优点，其最突出的优点是可以抑制共模干扰，提高CMRR和PSRR。电流镜做第一级差动运放的负载可以将双端输入转为单端输出，同时也可达到很大的增益。第二级放大器就采用共源级的放大器，可以达到大的输出摆幅。在集成电路制作过程中，大的电阻会占用很大的芯片面积，提高了成本，而且电阻的精度非常差，虽然做miller补偿用的电阻对精度的要求不是很高，但采用工作在线性区的mos管做电阻，效果更佳。该电阻的栅极如何偏置是一个难题，参考Razavi的10.5节的介绍，我们可以设计一个偏置电路。如图1的M8、M9、M11三个管子为M10提供偏置。整体电路图设计如图1所示。2.计算尺寸详细计算过程见附录，计算结果总结如下：（W/L）1=1（W/L）2=1（W/L）3=2（W/L）4=2（W/L）5=7（W/L）6=15（W/L）7=26（W/L）8=15（W/L）9=6（W/L）10=2（W/L）11=26I5=15μACc=0.3pFVout摆幅=0.2~4.61VPdiss=0.645mWAv=170003.上机验证3.1编辑电路图按照实验指导附录1做数据准备工作。然后进入~/training/ic/spice_labs$目录，启动cadence的设计环境平台，在命令行提示符($)下执行，$icfb&首先建立一个设计库，tools-librarymanager，File-New-Library。在Name内添上shuhao，ok后，选择compileanewtechfile，然后ok。然后选择techfile。在设计库里建立一个schematicview，在LibraryManager菜单New-cellview，填入amp，viewname选schematic，然后ok，则会出现电路图的编辑界面。插入元器件，选择chrt35dg_SiGe哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）中的nmos5p0、pmos5p0、res、cap等器件。按照计算给各个管子添加宽长尺寸，形成如下电路图，如图1。然后checkandsave。图1电路原理图3.2编辑二级放大器的symbol选择Design-CreateCellview-FromCellview，在弹出的界面，按ok后出现symbolGenerationoptions，选择端口排放顺序和外观，然后按ok出现symbol编辑界面。按照需要编辑成想要的符号外观，如图2。图2二级放大器的symbol3.3采用闭环仿开环的方式对运放进行交流，瞬态以及噪声分析方法和前面的“建立schemticview”的方法一样，但在调用单元时除了调用analogLib库中的电压源、信号源等之外，将此amp调用到电路图中，并添加输入激励源的设置以及负载电容。注意提供电流偏置的电流源通过复制电流得到，所以外加电流源的电流与流过M5的电流相等，外加mos管的W/L也与M5相等，如图3。电压源设置为5V，信号源设置如下：ACmagnitude=1,DCvoltage=vin,哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）Offsetvoltage=vin,amplitude为50uA，freq=1k。图3闭环仿开环电路图在schematic编辑界面，选择Tools-AnalogEnvironment，出现VirtuosoAnalogDesignEnvironment(ADE)，在ADE中，设置仿真器、仿真数据存放路径和工艺库，具体地，setup-Simulator/Directory/Host…中选择simulator为spectre，projectDirectory改为./simulation。Setup-ModelLibraries中ModelLibraryFile找到sm046005-1j.scs文件填入，section部分填typical，再次找到sm046005-1j.scs文件填入，section部分填capacitor，按add，然后ok。Variables-copyfromcellview,则电路中的变量出现在ADE中DesignVariable一栏中，将vin设置为2.5V，然后点击chooseanalysis进行仿真设置，首先进行交流仿真设置，在SweepVariable里选择Frequency,Sweeprange选择1—10G，，PointsperDecade选择30，如图4所示。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图4交流仿真设置之后选择tran进行瞬态仿真，由于所添加的交流小信号的频率为1kHz，周期为1ms，所以StopTime选择5ms，如图5。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图5瞬态仿真设置然后选择noise进行噪声仿真，设置如下哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图6噪声仿真设置设置结果如图7。图7仿真设置然后点runandnetlist。首先进行交流仿真，仿真结果如图8所示。在幅频特性的图上选取增益为0时对应的频率，再在相频特性曲线上找到该频率下所对应的相位，即可得相位裕度，从图8可以看到该二级放大器的相位裕度约为66°，满足目标60°的相位裕度。从幅频图上我们还可以得到低频增益，为了更清楚地看出低频增益，我们在其中选择了一点，该点增益为91.7761dB，即387976倍，如图9所示。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图8交流仿真（1）图9交流仿真（2）然后进行瞬态仿真，仿真结果如图10所示。从图中可以得到，在1kHz频率下，输出信号峰峰值为1.013V，又由于输入小信号峰峰值为100uV，所以增益Av=1.62474/0.0001=16247.说明在1kHz频率下增益已经下降较多。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图10瞬态仿真波形图再次进行噪声分析，我们分别将噪声信号折算到输入和输出，折算到输入的噪声如图11所示，折算到输出的噪声如图12所示，从这两幅图中可以明显得看出，在低频时，噪声电压更高，这是受1/f噪声的影响。图11输入噪声电压哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图12输出噪声电压利用此电路图，我们还可近似得到该运放的功耗，在直流扫描时我们保存直流工作电，在Calculator中选择OP，再选择直流电路，在list中选pwr，如图13所示。再点击print得到结果，如图14所示。图13仿功耗设置哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图14功耗仿真结果3.4进行CMRR的仿真仿真电路图如图15所示，该电路采用单位增益结构，差模增益为1，我们可以通过该电路得到共模增益，那么-20log|A|为CMRR,其中A为共模增益。图15仿CMRR电路图我们只需进行交流仿真，交流仿真设置如图4.我们画出如图16所示表达式的示意图。图16CMRRplot表达式哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）仿真结果如图17，从图中可以得到该运放在低频时的共模抑制比为104.846dB。随频率的上升呈下降趋势。图17CMRR仿真结果3.5进行PSRR的仿真仿真电路图如图18所示，原理与CMRR仿真原理类似。图18PSRR仿真电路图我们只需进行交流仿真，交流仿真设置如图4。仿真结果如图19，从图中可以得到该运放在低频时的PSRR为86.3762dB。随频率的上升呈下降趋势。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图19PSRR仿真结果3.6输入共模范围仿真仿真电路图如图20所示，依然连接成单位增益的形式。图20输入共模范围仿真电路图我们进行直流扫描，扫描变量为vin，扫描范围为0-5V,结果如图21哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图21输入共模范围仿真结果为了看清输入共模范围，我们将图21进行局部放大，如图22和23所示。从图22可以得到输入共模范围的下限为317mV，从如23可以得到输入共模范围的上限为4.86V，均满足预设目标。图22输入共模范围仿真结果局部放大（1）哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图23输入共模范围