3.2模拟集成电路设计-差分放大器版图

集成电路设计实习Integrated Circuits Design Labs

I t t d Ci it D i L b

单元实验三（第二次课）

模拟电路单元实验－差分放大器版图设计

2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University

实验内容、实验目的、时间安排

z实验内容：

z完成差分放大器的版图

z完成验证：DRC、LVS、后仿真

z目的：

z掌握模拟集成电路单元模块的版图设计方法

z时间安排：

z一次课完成差分放大器的版图与验证

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1

实验步骤

1.完成上节课设计放大器对应的版图

对版图进行、检查

2.DRC LVS

3.创建后仿真电路

44.后仿真（进度慢的同学可只选做部分分析）

z DC分析：直流功耗等

z AC分析：增益、GBW、PM

z Tran分析：建立时间、瞬态功耗等

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2

Display Option

z Layout->Options

->Display

z请按左图操作

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3

由Schematic创建Layout

z Schematic->Tools->Design

Synthesis->Layout XL->弹出窗口

->Create New->OK

>选择Create New>OK

z Virtuoso XL->Design->Gen From

Source->弹出窗口

z选择所有Pin

z设置Pin的Layer

z Update

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4

对管的共质心画法：相对位置放置

z设A管、B管为对管，共8个Multiplier

将管的前个p合在一起，置于左上角

z A4Multiplier

z将A管的后4个Multiplier合在一起，置于右下角

z将B管的前4个Multiplier合在一起，置于右上角

z将B管的后4个Multiplier合在一起，置于左下角

A

B

A

B

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page5

对管的共质心画法：层间互连单元的调用

z调用单元

z CSMC05MS中的POLY_M1

z View为symbolic

z设置

z Column：Contact列数

C l C t t

z Row：Contact行数

z其余可供调用的层间互连单元

z DIFF_M1

DIFF M1

z M1_M2

z M2_M3

z Ntap

z Ptap

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page6

对管的共质心画法：连线

z A管中前4个Multiplier的连线

p

z挪动B管前4个Multiplier的位置，

复制上图中的相关连线（注意：使

用上下镜像功能）

z按c，鼠标左键拉框，选定一组连线

z按F3，选择上下镜像

z将复制后的连线放到合适的位置

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page7

对管的共质心画法：连线、隔离

z使用ptap将N型MOSFET围起来

z固定衬底电压、隔离数字干扰

A

B

A

B

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page8

Ntap、ptap的尺寸

z尺寸：

z Tap length

z Tap width

z根据需要设置

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显示未完成的连线：查找未完成的连线时使用

z Connectivity->Show Incomplete

Nets

z未完成的连线List

z红框表示该连线被Selected

z放大显示未完成的连线

z未完成连线的相关信息

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page10

查找DRC错误标识

z Verify->Markers->Find，弹出窗口

设置

z Zoom To Markers

z按Apply显示当前DRC错误标识，按Next显示下一个标识

z回到版图窗口，按Shift+z缩小显示目标，查看标识的具体原因

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page11

查找LVS的未匹配处

z首先：LVS结束后，查看Output结果

z若查看结果很难找出未匹配处，请按如下方法查找

1.打开电路的extracted view

2.在extracted view中:Verify>LVS>Error Display，弹出窗口

2extracted view:Verify->LVS->Error Display

3.设置Auto-Zoom，按First、Next可显示LVS失配（佐以shift+z）

4.记录失配原因与坐标，回到Layout View查看该坐标处的版图信息

4Layout View

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page12

后仿真（第一步）：Build Analog

1.复制某单元的Layout View到

新单元

2.执行Extract

3.LVS双方均填写extracted

4.Run & Build Analog

5.Include All & OK

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page13

后仿真（第二步）：Create Symbol

1.打开任意一个Schematic View

2.Design->Create Cellview->From

Cellview，弹出右上窗口

3.点击Browse，弹出右下窗口

4.选后仿单元的Analog_extracted

参考由Schematic生成Symbol

Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page14

后仿真（第三步）：仿真设置

1.调用analog_extracted生成的symbol，创建仿真电路

启动（g g）

2.ADE Analog Design Environment

3.ADE->Setup-> Environment，弹出窗口

4.在Switch View List中添加analog_extracted

4Switch View List analog extracted

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采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计

目录 1. 设计指标 (1) 2. 运算放大器主体结构的选择 (1) 3. 共模反馈电路（CMFB）的选择 (1) 4. 运算放大器设计策略 (2) 5. 手工设计过程 (2) 5.1 运算放大器参数的确定 (2) 5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2) 5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3) 5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3) 5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3) 5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3) 5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3) 5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4) 5.1.8 确定偏置电压 (4) 5.2 CMFB参数的确定 (4) 6. HSPICE仿真 (5) 6.1 直流参数仿真 (5) 6.1.1共模输入电压范围（ICMR） (5) 6.1.2 输出电压范围测试 (6) 6.2 交流参数仿真 (6) 6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6) 6.2.2 共模抑制比（CMRR）的仿真 (7) 6.2.3电源抑制比（PSRR）的仿真 (8) 6.2.4输出阻抗仿真 (9) 6.3瞬态参数仿真 (10) 6.3.1 转换速率（SR） (10) 6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11) 7. 设计总结 (11) 附录（整体电路的网表文件） (12)

采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计 1. 设计指标 5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V V V V V V GB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mW μ>==?== >=±=?≤的范围 2. 运算放大器主体结构的选择 图1 折叠式共源共栅两级运算放大器 运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看, 有套筒 式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。本设计采用的是如图1所示的折叠式共源共栅两级运算放大器，采用折叠式结构可以获得很高的共模输入电压范围，与套筒式的结构相比，可以获得更大的输出电压摆幅。 由于折叠式共源共栅放大器输出电压增益没有套筒式结构电压增益那么高，因此为了得到更高的增益，本设计采用了两级运放结构，第一级由M0-M10构成折叠式共源共栅结构，第二级由M11-M14构成共源级结构，既可以提高电压的增益，又可以获得比第一级更高的输出电压摆幅。 为了保证运放在闭环状态下能稳定的工作，本设计通过米勒补偿电容Cc 和调零电阻Rz 对运放进行补偿，提高相位裕量！ 另外，本文设计的是全差分运算放大器，与单端输出的运算放大器相比较，可以获得更高的共模抑制比，避免镜像极点及输出电压摆幅。 3. 共模反馈电路（CMFB ）的选择 由于采用的是高增益的全差分结构，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差动反馈来达到稳定，因此，必须增加共模反馈电路（CMFB ）来检测两个输出端

全差分运算放大器设计

全差分运算放大器设计 岳生生（200403020126） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择

运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11 1357 113 51 3 57 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=-+ 第二级增益 9 2 2 9112 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- + 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r = = ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：

3.2模拟集成电路设计-差分放大器版图

集成电路设计实习Integrated Circuits Design Labs I t t d Ci it D i L b 单元实验三（第二次课） 模拟电路单元实验－差分放大器版图设计 2007-2008 Institute of Microelectronics Peking University

实验内容、实验目的、时间安排 z实验内容： z完成差分放大器的版图 z完成验证：DRC、LVS、后仿真 z目的： z掌握模拟集成电路单元模块的版图设计方法 z时间安排： z一次课完成差分放大器的版图与验证 Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page1

实验步骤 1.完成上节课设计放大器对应的版图 对版图进行、检查 2.DRC LVS 3.创建后仿真电路 44.后仿真（进度慢的同学可只选做部分分析） z DC分析：直流功耗等 z AC分析：增益、GBW、PM z Tran分析：建立时间、瞬态功耗等 Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page2

Display Option z Layout->Options ->Display z请按左图操作 Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page3

由Schematic创建Layout z Schematic->Tools->Design Synthesis->Layout XL->弹出窗口 ->Create New->OK >选择Create New>OK z Virtuoso XL->Design->Gen From Source->弹出窗口 z选择所有Pin z设置Pin的Layer z Update Institute of Microelectronics, Peking University集成电路设计实习－单元实验三Page4

差分运算放大器基本知识

一．差分信号的特点： 图1 差分信号 1.差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号 V ocm 为中心，如图1所示。差分信号包含差模信号和公模信号两个部分， 差模与公模的定义分别为：Vdiff=(V out+-V out- )/2，Vocm=(V out+ +V out- )/2。 2.差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图1，绿色表示的是单端信号的摆 幅，而蓝色表示的是差分信号的摆幅。所以在同样电源电压供电条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围。 3.差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。In a differential system, keeping the transport wires as close as possible to one another makes the noise coupled into the conductors appear as a common-mode voltage. Noise that is common to the power supplies will also appear as a common-mode voltage. Since the differential amplifier rejects common-mode voltages, the system is more immune to external noise. 4.差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。 Differential systems provide increased immunity to external noise, reduced even-order harmonics, and twice the dynamic range when compared to signal-ended system. 二．分析差分放大器电路 图2.差分放大器电路分析图

华东师范大学CMOS差分放大器版图设计报告

Project report 课程名称：VLSI版图设计 作业内容：差分放大器版图设计 任课教师：田应洪 学生姓名：刘毓达 学校院系：华东师范大学电子工程系所在班级：集成电路工程

一、设计目标 本次版图设计我做的是CMOS差分放大器的设计。CMOS差分放大器是模拟电路中最基本也是最重要的电路单元之一，掌握其版图对更进一步加深对电路的理解极为重要，更为关键的是，良好的版图能力是一个合格的模拟电路设计者所必须具备的素质。本次所画差分放大器的原理图如下： 二、设计要求

设计规则是设计人员与工艺人员之间的接口与“协议”，是版图设计必须无条件的服从的准则，可以极大地避免由于短路、断路造成的电路失效和容差以及寄生效应引起的性能劣化。设计规则主要包括几何规则、电学规则以及走线规则。 1.工艺 本次版图设计使用无锡上华CSMC 0.6um的工艺库。 2.DRC 在版图完成后必须要通过DRC规则检查。只有通过DRC的版图才初步具备实际的生产价值。DRC文件为工艺库中自带。以下为部分规则示意：

3.I/O端口 两个输入端口，两个输出端口，VDD及VSS接口。如原理图所示。 4.尺寸 差分放大器共使用了5个MOS管。两个PMOS，三个NMOS管。其

中P管尺寸为W/L=80/1，N管尺寸为W/L=64/1。均使用叉指结构。 P管分成8个W/L为10:1的管。 N管分成16个W/L为4:1的管。 PAD尺寸为： poly层：120*120um metal1和metal2层：110*110um nwell层：100*100um pad层：96*96um via层：88*88um 三、版图设计 首先考虑五个管子的布局。从上面所给的管子尺寸可以看到，每一个晶体管都是又细又长的一条。对于实际生产显然不合适，所以经过考虑将每个晶体管做成叉指结构，这样使版图密集紧凑，并且能很好的工作。对于总体布局，应充分考虑外部pad的连接，避免外部引线过长及交叉。

差分编码器设计和高频小信号放大器的设计

专业课程设计任务书 第一周课题（四选一） 1．1M调幅接收机设计 要求：中心频率f0=1MHz，低频信号频率f m=10kHz。 2．锁相频率合成器设计 要求：锁相环使用C4046芯片，频率范围为10k~100k，步进10k。 3．LC低通滤波器设计 要求：设计一五阶Butterworth低通滤波器，截止频率为1.6MHz，输入、输出阻抗为50Ω 4．差分编码器（码发生器和编码器）设计 要求：码发生器输出一n=4的m序列伪码，码元传输速率10kB 第二周课题（三选一） 5．FSK调制解调系统设计 要求：码元传输速率1kB，载波频率分别为300kHz和600kHz 6．高频小信号放大器设计 要求：中心频率f0=1MHz，通频带30kHz<2Δf0.7<50kHz，电压增益不低于15dB 7．高频LC振荡电路设计制作 要求：（1）设计一个LC正弦波振荡电路 （2）电路采用单电源12V （3）可采用考毕兹，克拉波或西勒振荡器电路稳定输出频率 （4）振荡频率在1-2MHz连续可调 （5）在频率范围内输出峰峰值大于4V且无明显失真

课题一 课程设计报告内容索引 内容页码 1、课程设计题目 (5) 2、主要技术指标（电路功能及其精度等） (5) 3、方案论证及选择 (5) 4、系统组成框图 (8) 5、单元电路设计及说明 (9) 6、总体电路图 (10) 7、元器件列表 (10) 8、总结 (10) 9、参考文献 (11)

一、课程设计题目 差分编码器设计 要求：码发生器输出N=4的序列伪码，码元传输速率10KB 二、主要技术指标 1、码发生器输出n=4的序列伪码 2、码元传输速率为10KB 三、方案论证及选择 方案一 1基本原理： DQPSK（Differential QuadriPhase-Shift Keying，差分四相正交相移健控）是在QPSK（四相正交绝对调相）的基础上作的改进，它克服了QPSK信号载波的相位模糊问题，用相邻码元之间载波相位的相对变化来表示两位二进制数字信息。常用的DQPSK系统的方框图如图1所示，信息源来的信码先通过串/并变换电路分成两路并行二进制信号，再送入差分编码器实现两路二进制（即四进制）的差分编码。由于格雷码有其自身的优点，即判决接收到一个信号码元时，如发生错误，最容易判为它相邻的信号码元，即最多错一比特，所以送入QPSK四相绝对调制器要用格雷码。由于差分编码器是对自然二进制作差分编码，所以要在差分编码器和QPSK调制器之间做一个二－格变换电路，把双比特自然二进制码变换为双比特格雷码，再输入QPSK调制器。

运算放大器电路及版图设计报告

目录 摘要 (2) 第一章引言 (3) 第二章基础知识介绍 (4) 2.1 集成电路简介 (4) 2.2 CMOS运算放大器 (4) 2.2.1理想运放的模型 (4) 2.2.2非理想运算放大器 (5) 2.2.3运放的性能指标 (5) 2.3 CMOS运算放大器的常见结构 (6) 2.3.1单级运算放大器 (6) 2.3.2简单差分放大器 (6) 2.3.3折叠式共源共栅(Folded-cascode)放大器 (7) 2.4版图的相关知识 (8) 2.4.1版图介绍 (8) 2.4.2硅栅CMOS工艺版图和工艺的关系 (8) 2.4.3 Tanner介绍 (9) 第三章电路设计 (10) 3.1总体方案 (10) 3.2各级电路设计 (10) 3.2.1第三级电路设计 (10) 3.2.2第二级电路设计 (11) 3.2.3第一级电路设计 (12) 3.2.4三级运放整体电路图及仿真结果分析 (14) 第四章版图设计 (15) 4.1版图设计的流程 (15) 4.1.1参照所设计的电路图的宽长比，画出各MOS管 (15) 4.1.2 布局 (17) 4.1.3画保护环 (17) 4.1.4画电容 (17) 4.1.5画压焊点 (18) 4.2 整个版图 (19) 第五章 T-Spice仿真 (21) 5.1提取T-Spice文件 (21) 5.2用T-Spice仿真 (24) 5.3仿真结果分析 (26) 第六章总结 (27) 参考文献 (28)

摘要 本次专业综合课程设计的主要内容是设计一个CMOS三级运算跨导放大器，该放大器可根据不同的使用要求，通过开关的开和闭，选择单级、两级、三级组成放大器，以获得不同的增益和带宽。用ORCAD画电路图，设计、计算宽长比，仿真，达到要求的技术指标，逐级进行设计仿真。然后用L-Edit软件根据设计的宽长比画版图，最后通过T-Spice仿真，得到达到性能指标的仿真结果。 设计的主要结果归纳如下： （1）运算放大器的基本工作原理 （2）电路分析 （3）设计宽长比 （4）画版图 （5）仿真 （6）结果分析 关键词：CMOS运算跨导放大器；差分运放；宽长比；版图设计；T-Spice仿真

全差分套筒式运算放大器设计

全差分套筒式运算放大器设计 1、设计内容 本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜像电流源作为偏置。为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈及二级放大电路。 本设计所用到的器件均采用SMIC 0.18μm的工艺库。 2、设计要求及工艺参数 本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示：

3、放大器设计 3.1 全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路 图1 全差分套筒式放大器拓扑结构 图2 最终电路图

3.2 设计过程 在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完全一样，即两管子所有参数均相同。Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3 + gmb3）ro2倍。但同时降低了输出电压摆幅。为了提高摆幅，控制增益，在套筒式差分放大器输出端增加二级放大。 本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。设计要求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。 I D=1 2μn C ox W L (V GS?V TH)2(1+λV DS)(1) 其中，C ox等于ε/t ox，μn和t ox可以从工艺库中查找。 4、仿真结果 经过调试优化之后的仿真结果如以下各图所示： 图3 增益及相位裕度 从图中可以看出，本设计的低频增益达到了74.25dB，达到了预期要求。3dB 带宽为35kHz左右，比较小，可见设计还有改进的余地。 当CL为2pF时，相位裕度： PM=180°+∠βH(ω)=180°?125.5°=54.5° 电源电压为1.8V时，输出摆幅如下图所示，达到了3V。

全差分运算放大器设计

全差分运算放大器设计 岳生生（0126） 一、设计指标 以上华CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： 直流增益：>80dB 单位增益带宽：>50MHz 负载电容：＝5pF 相位裕量：>60度 增益裕量：>12dB 差分压摆率：>200V/us 共模电压：(VDD=5V) 差分输入摆幅：>±4V 运放结构选择

运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的 ,DSAT N V 之和小于，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于。对于单 级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 性能指标分析 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 1 1 1 3 5 7 1 1 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益9 2 2 9 11 2 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=-+P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ： 1）、输入级： max 1max |2| Cc out DS C C d SR dt I v I C C = = = 单位增益带宽1m u C g C ω= ，可以得到 1m C u g C ω =

电流镜负载的差分放大器设计概要

电流镜负载的差分放大器设计 摘要 在对单极放大器与差动放大器的电路中，电流源起一个大电阻的作用，但不消耗过多的电压余度。而且，工作在饱和区的MOS器件可以当作一个电流源。 在模拟电路中，电流源的设计是基于对基准电流的“复制”，前提是已经存在一个精确的电流源可以利用。但是，这一方法可能引起一个无休止的循环。一个相对比较复杂的电路被用来产生一个稳定的基准电流，这个基准电流再被复制，从而得到系统中很多电流源。而电流镜的作用就是精确地复制电流而不受工艺和温度的影响。在典型的电流镜中差动对的尾电流源通过一个NMOS镜像来偏置，负载电流源通过一个PMOS镜像来偏置。电流镜中的所有晶体管通常都采用相同的栅长，以减小由于边缘扩散所产生的误差。而且，短沟器件的阈值电压对沟道长度有一定的依赖性。因此，电流值之比只能通过调节晶体管的宽度来实现。而本题就是利用这一原理来实现的。

一、设计目标（题目） (3) 二、相关背景知识 (4) 1、单个MOSTFET的主要参数包括： (4) 三、设计过程 (5) 1、电路结构 (5) 2、主要电路参数的手工推导 (6) 3、参数验证（手工推导） (7) 四、电路仿真 (7) 1、NMOS特性仿真及参数推导 (7) 2、PMOS特性仿真及参数推导 (10) 3、最小共模输入电压仿真 (12) 4、电流镜负载的差分放大器特性仿真及参数推导 (14) 五、性能指标对比 (18) 六、心得 (18)

一、设计目标（题目） 电流镜负载的差分放大器 设计一款差分放大器，要求满足性能指标： ● 负载电容pF C L 1= ● V VDD 5= ● 对管的m 取4的倍数 ● 低频开环增益>100 ● GBW(增益带宽积)>30MHz ● 输入共模范围>3V ● 功耗、面积尽量小 参考电路图如下图所示 设计步骤： 1、仿真单个MOS 的特性，得到某W/L 下的MOS 管的小信号输出电阻和跨导。 2、根据上述仿真得到的器件特性，推导上述电路中的器件参数。 3、手工推导上述尺寸下的差分级放大器的直流工作点、小信号增益、带宽、输入共模范围。

福州大学集成电路版图设计实验报告

福州大学物信学院 《集成电路版图设计》 实验报告 姓名：席高照 学号：111000833 系别：物理与信息工程 专业：微电子学 年级：2010 指导老师：江浩

一、实验目的 1.掌握版图设计的基本理论。 2.掌握版图设计的常用技巧。 3.掌握定制集成电路的设计方法和流程。 4.熟悉Cadence Virtuoso Layout Edit软件的应用 5.学会用Cadence软件设计版图、版图的验证以及后仿真 6.熟悉Cadence软件和版图设计流程，减少版图设计过程中出现的错误。 二、实验要求 1.根据所提供的反相器电路和CMOS放大器的电路依据版图设计的规则绘制电路的版图，同时注意CMOS查分放大器电路的对称性以及电流密度（通过该电路的电流可能会达到5mA） 2.所设计的版图要通过DRC、LVS检测 三、有关于版图设计的基础知识 首先，设计版图的基础便是电路的基本原理，以及电路的工作特性，硅加工工艺的基础、以及通用版图的设计流程，之后要根据不同的工艺对应不同的设计规则，一般来说通用的版图设计流程为①制定版图规划记住要制定可能会被遗忘的特殊要求清单②设计实现考虑特殊要求及如何布线创建组元并对其进行布局③版图验证执行基于计算机的检查和目视检查，进行校正工作④最终步骤工程核查以及版图核查版图参数提取与后仿真 完成这些之后需要特别注意的是寄生参数噪声以及布局等的影响，具体是电路而定，在下面的实验步骤中会体现到这一点。 四、实验步骤 I.反相器部分： 反相器原理图：

反相器的基本原理：CMOS反相器由PMOS和NMOS构成，当输入高电平时，NMOS导通，输出低电平，当输入低电平时，PMOS导通，输出高电平。 注意事项： （1）画成插齿形状，增大了宽长比，可以提高电路速度 （2）尽可能使版图面积最小。面积越小，速度越高，功耗越小。 （3）尽可能减少寄生电容和寄生电阻。尽可能增加接触孔的数目可以减小接触电阻。（4）尽可能减少串扰，电荷分享。做好信号隔离。 反相器的版图： 原理图电路设计： 整体版图：

差分放大器设计

第4节 差分放大器设计 [学习要求] 掌握差分放大器的主要特性参数及其测试方法；学会设计具有恒流源的差分放大器及电路的调试技术。 [重点与难点] 重点：差分放大器的传输特性及差模特性。 难点：恒流源的镜像电流；输入输出信号的连接方式对性能的影响。 [理论内容] 一、具有恒流源的差分放大器 具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级，电路如图1所示。其中，T 1、T 2称为差分对管，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻R Bl 、R B2、R Cl 、R C2及电位器RP 共同组成差分放大器的基本电路。T 3、T 4与电阻R E3、R E4、R 共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流。均压电阻R 0I 1、R 2给差分放大器提供对称差模输入信号。晶体管T 1与T 2、T 3与T 4的特性应相同，电路参数应完全对称，改变RP 可调整电路的对称性。由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动(称之为共模信号)，对T 1、T 2两管的影响都是一样的。因此，差分放大器能有效地抑制零点漂移。 图1具有恒流源的差分放大器 1、输入输出信号的连接方式

如图1所示，差分放大器的输入信号与输出信号可以有4种不同的连接方 .id V . od V 式： ·双端输入—双端输出连接方式为①—A'—A ，②—B'—B ；③—C ，④—D 。 ·双端输入—单端输出连接方式为①—A'—A ，②—B'—B ；③、④分别接一电阻 RL 到地。 ·单端输入—双端输出连接方式为①—A ，②—B —地：③—C ，④—D 。 ·单端输入—单端输出连接方式为①—A ，②—B —地：③、④分别接一电阻R L 到地。 连接方式不同，电路的特性参数有所不同。 2、静态工作点的计算 静态时，差分放大器的输入端不加信号。对于恒流源电路的电流值 .id V 0 4444422I I I I I I I Q C Q C Q C Q C Q B R ≈≈+=+=β （1） 故称为0I R I 的镜像电流，其表达式为 407.0E EE R R R V V I I +??== （2） 上式表明，恒定电流主要由电源电压0I EE V ?及电阻R 、4E R 决定 对于差分对管T1、T2组成的对称电路，则有 2021I I I Q C Q C == （3） 21 01121C CC C Q C CC Q C Q C R I V R I V V V ?=?== （4） {}(){}mA I mV mA I mV r mA mA E be ?++?=?++?=226130026)1(3000ββ （5） 可见差分放大器的静态工作点，主要由恒流 源电流的大小决定 0I 二、主要特性参数及其测试方法 1、传输特性 传输特性是指差分放大器在差模信号输

差分放大器设计的实验报告

设计课题 设计一个具有恒流偏置的单端输入-单端输出差分放大器。 学校：延安大学

一： 已知条件 正负电源电压V V V V EE cc 12,12-=-+=+；负载Ω=k R L 20； 输入差模信号mV V id 20=。 二：性能指标要求 差模输入电阻Ω>k R id 10；差模电压增益15≥vd A ；共模抑制 比dB K CMR 50>。 三：方案设计及论证 方案一：

方案二

方案论证： 在放大电路中，任何元件参数的变化，都将产生输出电压的漂移，由温度变化所引起的半导体参数的变化是产生零点漂移的主要原因。采用特性相同的管子使它们产生的温漂相互抵消，故构成差分放大电路。差分放大电路的基本性能是放大差模信号，抑制共模信号好，采用恒流源代替稳流电阻，从而尽可能的提高共模抑制比。 论证方案一：用电阻R6来抑制温漂 ?优点：R6 越大抑制温漂的能力越强； ?缺点：<1>在集成电路中难以制作大电阻； <2> R6的增大也会导致Vee的增大（实际中Vee不

可能随意变化） 论证方案二 优点：（1）引入恒流源来代替R6,理想的恒流源内阻趋于无穷，直流压降不会太高，符合实际情况； （2）电路中恒流源部分增加了两个电位器，其中47R的用来调整电路对称性，10K的用来控制Ic的大小，从而调节静态工作点。 通过分析最终选择方案二。 四：实验工作原理及元器件参数确定 ?静态分析：当输入信号为0时， ?I EQ≈(Vee-U BEQ)/2Re ?I BQ= I EQ /(1+β) ?U CEQ=U CQ-U EQ≈Vcc-I CQ Rc+U BEQ 动态分析 ?已知：R1=R4,R2=R3

版图对电路的影响—差分放大器

版图对电路的影响—差分放大器(一） 标准小信号模型 将Rss视为电流源，输出电阻无穷大，平衡状态下的小信号差动增益|Av|=gmRd，单边输出增益减半。尾流源让共模电平对偏置电流的影响尽可能的小。理想差分放大器共模增益为零，共模抑制比无穷大。 一、共模输入变化引起输出的变化 电路对称 Rd1=Rd2=Rd Vin1=Vin2 gm1=gm2=gm, Vgs1=Vgs2=Vgs Vin1=Vin2=Vin=Vgs+2gmVgsRss

Vx=Vy=Vout=-gmVgsRd Avc=Vout/Vin=(-gm)Rd/(1+2gmRss) 仅负载失配 Rd1≠Rd2 Vin1=Vin2=Vin Vgs1=Vgs2=Vgs beta1=beat2=beta gm=beta*(Vgs-Vth) gm1=gm2=gm Vin=Vgs+2gmVgsRss Vx=-gmVgsRd1 Vy=-gmVgsRd2 Vx-Vy=-gmVgs(Rd1-Rd2) Avc=(Vx-Vy)/Vin=(-gm)(Rd1-Rd2)/(1+2gmRss) 仅晶体管失配 beta1≠beta2 gm1≠gm2 Vgs1=Vgs2=Vgs Rd1=Rd2=Rd Vin1=Vin2=Vin Vin=Vgs+(gm1+gm2)VgsRss Vx=-gm1VgsRd Vy=-gm2VgsRd Vx-Vy=-VgsRd(gm1-gm2) Avc=Vx-Vy/Vin=-Rd(gm1-gm2)/[1+(gm1+gm2)Rss]

摘录自(1)： 1、共模扰动频率的增加与尾流源并联的电容会使电流产生很大的变化(即使 尾流源输出阻抗很大，在高频时也会变得很严重) 2、电路不对称既来自负载电阻，也来自输入晶体管。通常后者产生的失配要 大得多。 由i=q/t, q=cv, f=1/t得到i=cvf，所以尾流部分的寄生电容与输入频率会影响到尾流源，进而影响到整个差动电路的性能。 C=Eox * Area / Tox,很容易看出面积越大电容也越大。以W/L = 100 / 1的晶体管为例，画成finger =1时，diff_area_f1=100 * (1.5*2 + 1) = 400, all _area_f1=400 + (0.5*4*2) = 404；当finger =2 时，diff_area_f2 = 50 * (1.5*3 +1*2) = 325, all_area_f2=325 + (0.5*6.5*2) = 331.5。每次减小重合部分的面积。设MOS宽度为W,重合部分宽度为ds，channel长度为g，gate出diff为cap，finger 数目为n，有(W/n+2*cap)(n*ds+ds+n*g)>=(W+2*cap)(2*ds+g)，得出当n>=W*ds/[2*cap*(g+ds)]时，finger=n的整体面积大于finger=1的面积。 如果ds=x * cap, g=y *cap则 n = [W/(2*cap)] *[x / (x+y)]，finger=n 如果y=z*x，其中z=g/d，则 n=W/[2*(1+z)*cap]，将(1+z)*cap作为一个整体k，则

全差分运算放大器设计说明

全差分运算放大器设计 岳生生（6） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择

运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11135711 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益 9 2 291129 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- +P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：

全差分放大器设计

对于全差分放大器，一般可以得到更大的swing (由于差分信号)，同时可以实现对共模干扰、噪声以及偶数阶的非线性的抑制；但其需要有两个匹配的反馈网络，以及共模反馈电路 顺便提一下，对于全差分的折叠共源共栅（folded cascode）放大器，需要注意 转换速率（正向与负向）对输入对差分对的尾电流源和cascode电流源的考虑 非主极点的位置–输入对管的drain节点（注意全差分没有镜像极点的问题..），如果考虑PMOS输入的结构，将会折叠到n管的cascode，从而减小此节点阻抗，提高此非主极点的频率；但是P输入结构亦有其问题，如直流增益和cmfb电路的速度（考虑cmfb控制的为cascode的pmos电流源） 关于共模反馈CMFB 从反馈环路来看，共模的稳定问题来源于闭环的共模增益：由于输入差分对的尾电流源的local-feedback，通常共模增益较小，导致运放无法控制其输出共模点；通过CMFB共模反馈电路，可以提高共模反馈环路的增益，以稳定共模信号。 设计CMFB需考虑补偿以减小环路的稳定时间（settling time）和提高稳定性。 从性能上，我们希望共模反馈的单位增益带宽足够大，但由于cmfb的环路相较于差模通路可能有更多高频极点，故此在一定的功耗要求下其UGB一般比较难做的高，有书中提到可以将其设计为差模UGB 的1/3 一般共模反馈的方法是控制放大器的电流源，这里如果是folded-cascode的结构，可以考虑用cmfb控制cascode的电流源而不是输入差分对的电流源—-因其在共模环路中有较少的节点–>更容易补偿等..（另一种考虑是控制尾电流源可能导致共模增益的问题) 另外，对于cmfb控制的尾电流源，常见将尾电流源分为两半，其中之一由cmfb控制，另一半接恒定偏置电流；这种结构的具体分析可见Gray书12.4.2节的内容，简单来说，single-stage的opamp中控制尾电流源的cmfb结构，其UGB主要为gmt/CL, 其中gmt为尾电流源的跨导，这里拆分尾电流源来减半cmc共模控制的部分，这样UGB减小，即缩减带宽来提升共模反馈环路的相位裕度，当然cmfb的增益相应也减小了；另外恒定偏置部分也可帮助共模电压的初始建立，减小cmfb大的扰动。 具体的，共模反馈可以分为连续时间和开关电容两类 连续时间的共模反馈 一般的问题是信号幅度的限制和共模信号干扰，具体的共模反馈的方法： 1.电阻分压resistive-divider （如下左图） 电阻和cm-sense amplifier的输入电容会引入一个极点，可以通过在电阻上并联电容的方法，引入一个左半平面零点，来减小高频极点的影响

共源级放大器的电路设计及版图实现

巢湖学院2014届本科毕业论文（设计） 共源级放大器的电路设计及版图实现 摘要 集成电路设计技术是现在信息时代的关键技术之一，当今的超大规模集成电路（VLSL）设计也已经离不开计算机辅助（CAD）。Tanner 就是CAD软件的一种，它是由Tanner Research公司开发的基于windows平台的用于集成电路设计的工具软件，该软件功能强大，从电路设计、分析模拟到电路布局都可实现。本设计就是基于tanner软件实现共源级放大器的电路图设计及版图绘制。共源极放大器是CMOS电路中的基本增益级。它是典型的反向放大器，负载可以是有源负载或者电流源。共源极放大器需要得到比有源负载放大器更大的增益。设计电流源负载共源极放大器对学习了解IC有着本质的帮助和提高，这是理论与实践的相结合。本论文主要设计三种情况的放大器电路，他们是电阻负载共源级放大器、二极管连接的负载的共源级放大器和电流源负载共源级放大器电路，通过这三种放大器的设计能让我们更好的使用共源级放大器。 关键词：共源级放大器；版图；Tanner Tools

共源级放大器的电路设计及版图实现 Circuit Design and Layout Implementation of the Dommon-source Amplifier Abstract IC design technology is now one of the key technologies of the information age, today's VLSI (VLSL) has been inseparable from computer-aided design (CAD). Tanner is a CAD software, which is based IC design software tools for windows platform, powerful functionality of the software developed by the Tanner Research, analog circuit design, analysis of the circuit layout can be realized. This design is the circuit diagram tanner common source software based amplifier design and layout drawing. Is a common-source amplifier circuit of the basic CMOS gain stage. It is a typical inverting amplifier, or the load may be an active load current source. Common-source amplifier needs to be greater than the active load amplifier gain. Design current source load common-source amplifier IC has to learn to understand the nature of the help and improve, which is a combination of theory and practice. This thesis amplifier circuit design three cases, they are a common source amplifier resistive load of source-level amplifier and a current source diode connected load of the load common source amplifier circuit, amplifier design by these three make us more Use good common source amplifier. Key word: CAD；TANNER；Common-source Amplifier