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东南大学 毕业设计(论文)报告 题 目 带共模反馈的差分放大器的电路 东南大学无锡分校系电子科学与技术专业 电07级 级 1 班 学生姓名 栾 艳 美 指导老师 赵 霞 周 烨 起讫时间 2009.9—2009.12 设计地点 无锡硅动力微电子股份有限公司一、论文的主要内容 本 文 首 先 介 绍 了 集 成 电 路 的 发 展 史 以 及Candence软件的应用,包括 ASIC 设计流程、电路图的设计及模拟和版图的验证;接着着重介绍了带有共模反馈的差分放大电路的构造和工作原理,在电路分析的基础上,分别介绍了模拟集成电路的相关模块分析:有源负载相对于无源负载的优点、基本差分放大器的直流交流分析、共模反馈网络调节放大器偏差电流的原理、负反馈放大器的稳定性、折叠式共源共栅放大器的作用及特性分析;然后叙述了整个全差分放大电路的工作原理,通过增加共模反馈网络来检测两个输出端的共模电平,有根据的调节放大器的偏差电流以及电压增益;最后介绍了电路仿真器Virtuoso Spectre的特点,参照各个器件的不同参数仿真出各个放大级的波形和输入、输出差分信号的波形,并用candance软件对器件进行版图制作,同时对相关的尺寸要求也进行了说明。1、集成电路的发展2、Candence 软件的应用与介绍 (1)、电路图设计工具Composer (2)、电路模拟工具Analog Artist (3)、电路仿真工具Verilog-XL (4)、版图设计大师Virtuoso Layout Editor (5)、版图验证工具Dracula 3、电路分析(1)、共模反馈 图3.14 共模反馈的原理结构图(2)、负反馈放大器 图3.18 负反馈放大器的一般方框图 (3)、带共模反馈的差分放大电路分析 全差分放大电路具有良好的共模抑制和电源纹波抑制特性。它的内部结构包括差模反馈与共模反馈。差动反馈保证放大器输出差动电压,其等于差动输入乘以增益。共模反馈保证输出的共模电压偏置为 VDD/2 左右,忽略输入端的共模电压。虽然全差分放大器可以单端输入信号,但是,在恶劣的环境下,推荐使用差分输入信号,这样可以确保有最大的噪声抑制比。图3.22 图3.22中,P1280、P1312、P1311和有源负载N1126、N1127构成第一级差分放大,N1235和1236均为共栅放大级,N1233和N1234均为共源放大级,C54、 C55、C57和C58均为频率补偿电容,R1392和R1390是共模反馈采样电阻,P582-G端为基准电位。在R1392和R1390的作用下将Vout与基准电位比较,差值电位VGS-Vth调整电压增益。 上图使用了两级全差分运算放大器。该放大器的结构使用了折叠式共源共栅运放。具有较大的输出电压摆幅,但是这个优点时以较大的功耗,较低的电压增益和较低的极点频率和较高的噪声为代价得到的。 在高增益全差分放大器中,输入级的差分MOS管和有源负载的失配会对使得全差分运放的共模输出电平不稳定。我们为了使全差分运放的输出共模电平的电位达到一个固定值,我们加入了一个共模反馈网络。4、电路仿真和版图制作(1)、Virtuoso Spectre仿真(2)、版图制作 集成电路版图是电路系统与集成电路 工艺之间的中间环节,是一个必不可 少的重要环节。通过集成电路版图设 计,可以将立体的电路系统变为一个 二维的平面图形,再经过工艺加工还 原为基于硅材料的立体结构。?、 基区电阻 如图所示即为基区电阻,电阻的最小条宽W和方块电阻的阻值R□将是由工艺所决定的,则由电阻阻值计算公式可得 R=(L/W)* R□ 在n外延上注入N+,并将N+置高电位,为了防止电阻和外延之间形成正向二极管导通,置高使之形成反向二极管,起到隔离和保护的作用。?、电容 如图所示即为N+发射区和一铝所形成的电容。其中电容的面积(面积的大小将决定电容值的大小)、N+包介质层将由工艺上的最小规则所决定。 其中电容值的计算公式为: C=单位面积电容量*面积?、CMOS管 在画CMOS版图时,只需确定扩散区的尺寸。 该尺寸的确定主要有以下规则: 多晶的宽度L:一般为最小沟道尺寸,即工艺中 的最小特征尺寸; 扩散区的长度H:根据电路中的所设计的MOS管 的宽长比确定H=(W/H)*L; 扩散区的最小宽度:根据接触孔的大小以及接 触孔到有源区的最小间距C及接触孔至多晶的最 小间距T之和来确定; 接触孔的大小由工艺要求决定; 有源区引出的铝线宽度必须满足对接触孔的最 小外围。n p-MOS管 如图所示P-MOS管做在n-well里,在衬底 (n-well)上注入N+,并将 其置高电位,使阱与源、漏之间的二极 管截止,起到隔离和保护的作用。n n-MOS管 如图所示N-MOS管直接做P衬底上, 源极与漏极注入N+,源极接GND。 在版图设计中要细致解决两方面问题:总体布局和器件的个体的设计问题:而布局问题的关键是要解决其对称性问题。尤其在全差动电路中的不对称性会产生输入参考失调电压,因而限制了可检测的最小信号电平。所以在版图设计时要尽可能注意版图中的对称性,以最大限度的减小失调电压。同时版图的对称性设计还可以抑制共模噪声和偶次非线性效应。如下图是带有共模反馈的CMOS集成差分放大电 路的版图 The end! Thank you! 东南大学 毕业设计(论文)报告 题 目 带共模反馈的差分放大器的电路 东南大学无锡分校系电子科学与技术专业 电07级 级 1 班 学生姓名 栾 艳 美 指导老师 赵 霞 周 烨 起讫时间 2009.9—2009.12 设计地点 无锡硅动力微电子股份有限公司一、论文的主要内容 本 文 首 先 介 绍 了 集 成 电 路 的 发 展 史 以 及Candence软件的应用,包括 ASIC 设计流程、电路图的设计及模拟和版图的验证;接着着重介绍了带有共模反馈的差分放大电路的构造和工作原理,在电路分析的基础上,分别介绍了模拟集成电路的相关模块分析:有源负载相对于无源负载的优点、基本差分放大器的直流交流分析、共模反馈网络调节放大器偏差电流的原理、负反馈放大器的稳定性、折叠式共源共栅放大器的作用及特性分析;然后叙述了整个全差分放大电路的工作原理,通过增加共模反馈网络来检测两个输出端的共模电平,有根据的调节放大器的偏差电流以及电压增益;最后介绍了电路仿真器Virtuoso Spectre的特点,参照各个器件的不同参数仿真出各个放大级的波形和输入、输出差分信号的波形,并用candance软件对器件进行版图制作,同时对相关的尺寸要求也进行了说明。1、集成电路的发展2、Candence 软件的应用与介绍 (1)、电路图设计工具Composer (2)、电路模拟工具Analog Artist (3)、电路仿真工具Verilog-XL (4)、版图设计大师Virtuoso Layout Editor (5)、版图验证工具Dracula 3、电路分析(1)、共模反馈 图3.14 共模反馈的原理结构图(2)、负反馈放大器 图3.18 负反馈放大器的一般方框图 (3)、带共模反馈的差分放大电路分析 全差分放大电路具有良好的共模抑制和电源纹波抑制特性。它的内部结构包括差模反馈与共模反馈。差动反馈保证放大器输出差动电压,其等于差动输入乘以增益。共模反馈保证输出的共模电压偏置为 VDD/2 左右,忽略输入端的共模电压。虽然全差分放大器可以单端输入信号,但是,在恶劣的环境下,推荐使用差分输入信号,这样可以确保有最大的噪声抑制比。图3.22 图3.22中,P1280、P1312、P1311和有源负载N1126、N1127构成第一级差分放大,N1235和1236均为共栅放大级,N1233和N1234均为共源放大级,C54、 C55、C57和C58均为频率补偿电容,R1392和R1390是共模反馈采样电阻,P582-G端为基准电位。在R1392和R1390的作用下将Vout与基准电位比较,差值电位VGS-Vth调整电压增益。 上图使用了两级全差分运算放大器。该放大器的结构使用了折叠式共源共栅运放。具有较大的输出电压摆幅,但是这个优点时以较大的功耗,较低的电压增益和较低的极点频率和较高的噪声为代价得到的。 在高增益全差分放大器中,输入级的差分MOS管和有源负载的失配会对使得全差分运放的共模输出电平不稳定。我们为了使全差分运放的输出共模电平的电位达到一个固定值,我们加入了一个共模反馈网络。4、电路仿真和版图制作(1)、Virtuoso Spectre仿真(2)、版图制作 集成电路版图是电路系统与集成电路 工艺之间的中间环节,是一个必不可 少的重要环节。通过集成电路版图设 计,可以将立体的电路系统变为一个 二维的平面图形,再经过工艺加工还 原为基于硅材料的立体结构。?、 基区电阻 如图所示即为基区电阻,电阻的最小条宽W和方块电阻的阻值R□将是由工艺所决定的,则由电阻阻值计算公式可得 R=(L/W)* R□ 在n外延上注入N+,并将N+置高电位,为了防止电阻和外延之间形成正向二极管导通,置高使之形成反向二极管,起到隔离
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