CMOS运算放大器的设计、仿真和版图实现

 

　　目的要求
　　1、 培养学生分析、解决问题的综合能力；
　　2、熟悉计算机进行集成电路进行辅助设计的流程；
　　3、 熟念运用EDA设计工具；
　　4、 能使用Pspice对电子器件进行元器件级、电路级设计；
　　5、掌握模拟电路仿真方法；
　　6、掌握电子电路、电子器件芯片底层版图的设计原则和方法；
　　7、掌握用计算机对电路、电子器件进行参数提取及功能模拟的过程；
　　8、熟悉设计验证流程和方法。
　　实验原理
　　1、运算放大器概述
　　集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管，场效应管，二极管，电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例，求和，求差，积分，微分等），故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。而CMOS集成运算放大电路即为采用CMOS工艺制造而成的集成运放。
　　2、集成运算放大器的基本结构
　　集成运放电路由四部分组成，包括输入级，中间级，输出级和偏置电路。输入级又称前置级，它往往是一个双端输入的高性能查分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。输入级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数。中间级是整个放大电路的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射或共源放大电路，一般以恒流源作负载。输出级应具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强），非线性失真小等特点。偏置电路用于设置集成运放各放大电路的静态工作点，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的静态工作电流，从而确定了合适的静态工作

　　图1 集成运算放大器的结构框图
　　3、电路仿真概述
　　模拟电路仿真工具是以电路理论,数值计算方法和计算机技术为基础实现的.他采用数学模型和仿真算法,利用计算机的计算,存储和图形处理的高速和高效率,以电路理论为依据,无需任何实际元器件,用预先设计出的各种功能的应用程序,取代大量的仪器仪表.一个电路CAD工具就相当于一个现代化的电子线路实验室。模拟集成电路的仿真工具，是众多EDA工具中的一个重要组成部分。由于模拟电路在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求，国际上公认的模拟电路通用仿真工具是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的SPICE程序，目前享有盛誉的EDA公司的模拟电路仿真工具，都是以SPICE为基础实现的。其中以美国原Meta Software公司的HSPICE和MICROsIM公司的PSPICE最为流行。PSPICE程序由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，本课题便是以PSPICE作为设计平台的。
　　4、版图及设计规则概述
　　集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩模上的几何图形。这些几
　　何图形包括：N阱、有源区、多晶硅、N（P）选择区、接触点及金属层。图2是一个PMOS管的例子，它描述了所有需要的掩模图形。

　　图2  CMOS反相器版图
　　设计规则也可以称为布局规则，用来规范布局工程师设计电路之用，就是规定某一个物质材料需要最小的宽度是多少、任两种材料之间需要多少的间距，才不会使电路有断线或者短路，另外就是规定晶体管沟道、电容和接触点的大小。这些规则提供制造工程师与电路设计师沟通之用，主要的目的在于使产品有最好的合格率，并且使用最小的硅晶片面积来设计电路，另一方面，晶片的可靠性并不会因此打折扣。一般而言，设计规则就是效能与合格率两者之间最好的调解者。
　　设计要求
　　1、  设计CMOS运算放大器
　　端口定义  VDD  GND  IN+  IN-  OUT+  OUT-
　　供电电压：VDD 5v  GND 0v
　　输入信号：正弦差分信号，共模电压为0v，差分幅值范围1mv～100mv，频率10MHz
　　输出信号：正弦差分信号
　　幅值增益：30倍  要求较良好的线性度
　　*工作温度：0~85摄氏度
　　*电源抑制比
　　*输出负载能力
　　2、按照时间分配逐步完成电路级设计、电路级仿真、版图级设计、版图级仿真各个步骤。
　　实验内容
　　本实验总共36学时，学时具体分配如下：
　　１、综合实验的要求＆基础知识的准备　　　　3学时
　　２、CMOS运算放大器的电路级设计　　　　　3学时
　　３、PSPICE电路仿真软件的熟悉　　　　　　 3学时
　　４、CMOS运算放大器电路级仿真　　　　　　6学时
　　５、版图设计相关知识的讲授　　　　　　　　3学时
　　６、LEDIT版图设计软件的熟悉　　　　　　　3学时
　　７、CMOS运算放大器版图设计　　　　　　　9学时
　　８、CMOS运算放大器版图级仿真　　　　　　3学时
　　９、实验报告的撰写＆实验结果的讨论　　　  3学时

　　软件工具
　　1、PSPICE
　　PSPICE由如下6个基本程序模块组成：
　　(1)电原理图输入程序Schematics：PSPICE的输入基本上是以电路原理图和网单文件两种形式。本课题采用的是网单文件的形式。
　　(2)激励源编辑程序Stimulus Editor：
　　(3)电路仿真程序 PSPICE/AD：它的仿真功能包括：直流工作点分析，直流转移特性分析，直流小信号传输函数计算，交流小信号分析，交流小信号噪声分析，瞬态分析，傅立叶分析，直流灵敏度分析，温度分析，最坏情况分析和蒙特卡罗统计分析等等。
　　(4)输出结果绘图程序Probe：Probe程序PSPICE的输出图形后处理软件包。它接受仿真程序输出的绘图文件（*.DAT）,在屏幕上绘出仿真后的曲线,波形,还可以硬拷贝到打印外设上.
　　(5)模拟参数提取程序Parts；
　　(6)元器件模型参数库LIB：PSPICE提供的元器件参数库都以*.lib的文件形式放在LIB目录中,供仿真程序调用。

　　2、 LEDIT
　　Tanner Tools Pro是一套以布局为主的EDA软件，配合电路图的绘图输入软件与电路层次的仿真软件，构成了一套IC设计系统。在布局软件部分L-EDIT为主要的核心，配合DRC、Extractor与SPR等模块构成一套具有标准器件自动化布局与绕线的布局工具：