文

目錄

摘要 ............................................................................................................ 錯(cuò)誤!未定義書簽。 Abstract....................................................................................................... 錯(cuò)誤!未定義書簽。 第一章 緒論 .............................................................................................................................. i

1.1課題背景及意義 .......................................................................................................... i 1.2 反饋 ............................................................................................................................. i

1.2.1 反饋的基本概念 ............................................................................................. 1 1.3 反饋在運(yùn)放中的應(yīng)用 ................................................................................................ 2 第二章 放大電路中的反饋 ..................................................................................................... 3

2.1 運(yùn)算放大器中的反饋 ................................................................................................ 3

2.1.1 四種組態(tài)負(fù)反饋放大電路 ............................................................................. 3 2.1.2 反饋組態(tài)的判斷 ............................................................................................. 5 2.2 反饋對(duì)放大電路性能的影響 .................................................................................... 7

2.2.1 穩(wěn)定放大倍數(shù) ................................................................................................. 7 2.2.2 改變輸入電阻和輸出電阻 ............................................................................. 8 2.2.3 展寬頻帶 ....................................................................................................... 11 2.2.4 減小非線性失真 ........................................................................................... 12 2.3 共模反饋電路及源跟隨器 ...................................................................................... 12

2.3.1 共模反饋電路定義 ....................................................................................... 13 2.3.2 共模反饋電路的組成 ................................................................................... 14 2.2.3 源跟隨器的定義與作用 ............................................................................... 14

第三章 采用源跟隨器的共模反饋電路的設(shè)計(jì)與仿真 ....................................................... 15

3.1 電路結(jié)構(gòu)及參數(shù) ...................................................................................................... 15

3.1.1 電路結(jié)構(gòu) ....................................................................................................... 15 3.1.2 共模檢測(cè)電路原理 ....................................................................................... 16

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3.1.3 計(jì)算電路參數(shù) ............................................................................................... 17 3.2 仿真結(jié)果 .................................................................................................................. 21 第四章 共模反饋電路的版圖設(shè)計(jì) ....................................................................................... 25

4.1 版圖設(shè)計(jì) .................................................................................................................. 25 4.2 版圖驗(yàn)證 .................................................................................................................. 25

4.2.1 主電路版圖 ................................................................................................... 26 4.2.2 偏置電路版圖 ............................................................................................... 27

結(jié)論 ......................................................................................................................................... 29 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 30 附錄一 ..................................................................................................................................... 32 附錄二 ..................................................................................................................................... 34 附錄三 ..................................................................................................................................... 36 附錄四 ..................................................................................................................................... 38 附錄五 ..................................................................................................................................... 40 致謝 ......................................................................................................................................... 42

II

第一章 緒論

1.1課題背景及意義

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，全差分運(yùn)放相對(duì)于單端輸出運(yùn)放輸出擺幅較大的優(yōu)點(diǎn)就變得更加明顯，對(duì)共模噪聲和高階的諧波失真也有更好的抑制作用,在輸出擺幅、輸出動(dòng)態(tài)范圍、電源抑制比（PSRR）和應(yīng)用的靈活性上有很大的優(yōu)勢(shì)，而伴隨著這些優(yōu)點(diǎn)，也帶來一些挑戰(zhàn)[1]。對(duì)電路設(shè)計(jì)者而言，很重要的是共模反饋（CMFB）電路的設(shè)計(jì)。三極管是溫度敏感的器件，溫度變化后，靜態(tài)工作點(diǎn)、結(jié)電阻和放大性能皆會(huì)發(fā)生改變。特別是在高增益的全差分放大器中，輸出的共模電壓對(duì)器件特性和失真（Mismatching）非常敏感，差分信號(hào)的負(fù)反饋并不能夠穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。而共模反饋電路能夠精確設(shè)置輸出的共模電壓值，且平衡了在一個(gè)理想的共模電壓點(diǎn)上兩個(gè)差分輸出級(jí)的輸出值。因此，全差分運(yùn)放需要共模反饋電路來穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。

系統(tǒng)對(duì)共模反饋電路的要求是：要有足夠大的回路增益和足夠的相位裕度。在二級(jí)運(yùn)放中，人們?yōu)榱诉_(dá)到這個(gè)要求，采用了多種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。共模反饋電路雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但依然存在一些缺陷。例如將電路直接接到高阻抗的輸出點(diǎn)，會(huì)嚴(yán)重的降低增益,導(dǎo)致電路性能大幅度下降[2]。而帶有源跟隨器的CMOS共模反饋電路因?yàn)槠溆泻芨叩妮斎腚娮?，所以在穩(wěn)定差分放大器的直流工作點(diǎn)的同時(shí)又不會(huì)降低電路增益，所以為了滿足全差分放大器的參數(shù)要求就要設(shè)計(jì)出良好的帶有源跟隨器的CMOS共模反饋電路。

CMOS共模反饋電路一般存在輸出擺幅的缺點(diǎn)，而我采用的這種帶有源跟隨器的CMOS共模反饋電路克服了這個(gè)缺點(diǎn), 它在穩(wěn)定電路直流工作點(diǎn)的同時(shí), 能有效提高電路的輸出擺幅從而滿足更高的參數(shù)要求。

1.2 反饋

反饋現(xiàn)象無處不在，它在人類進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新中起著不可或缺的重要作用。反饋是控制論中最基本的概念，也是對(duì)付復(fù)雜系統(tǒng)的一條基本的系統(tǒng)學(xué)原理。在控制系統(tǒng)中，反饋的主要作用是對(duì)付系統(tǒng)中存在的內(nèi)部和外部不確定性。反饋的有效利用常常對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。在控制論中，兩個(gè)基本的問題是：如何有效利用反饋？反饋的能力究竟有多大？下面將簡(jiǎn)述對(duì)反饋?zhàn)饔玫亩ㄐ哉J(rèn)識(shí)，及反饋的種類。

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

1.2.1 反饋的基本概念

凡是將放大電路（或某個(gè)系統(tǒng)） 輸出端的信號(hào)( 電壓或電流) 的一部分或全部通過一定的電路形式作用到輸入回路,用來影響輸入量（放大電路的輸入電壓或輸入電流） 的措施稱為反饋[3]。

按照反饋放大電路各部分電路的主要功能將其分為基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部

分，如圖2-1所示。前者主要功能是放大輸入信號(hào)，后者主要功能是傳輸反饋信號(hào)?；痉糯箅娐返妮斎胄盘?hào)稱為凈輸入量，它不但決定于輸入信號(hào)（輸入量），還與反饋信號(hào)（反饋量）有關(guān)。

輸入量 凈輸入量 輸出量 基本放大電路 反饋量 反饋網(wǎng) 圖1-1 反饋網(wǎng)絡(luò)

一、正反饋與負(fù)反饋

根據(jù)反饋的效果可以區(qū)分反饋的極性，使放大點(diǎn)凈輸入量增大的反饋稱為正反饋，使放大電路凈輸入量減小的反饋稱為負(fù)反饋。由于反饋的結(jié)果影響凈輸入量，因而必然影像輸出量。所以，根據(jù)輸出量的變化也可以區(qū)分反饋的極性，反饋的結(jié)果使輸出量的變化增大的為正反饋，使輸出量變化減小的是負(fù)反饋。

在各種放大電路中廣泛地采用負(fù)反饋, 目的在于改善放大器各方面的性能, 即提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、減小非線性失真和抑制干擾、擴(kuò)展頻帶、改變輸入電阻和輸出電阻。而正反饋多用于振蕩電路中。 二、電壓反饋與電流反饋

根據(jù)反饋信號(hào)所取自的輸出信號(hào)的不同, 可分為電流反饋和電壓反饋, 電壓反饋的放大電路具有穩(wěn)定輸出電壓的作用, 即有恒壓輸出的特性, 使之接近一個(gè)恒壓源; 電流反饋的放大電路具有穩(wěn)定輸出電流的作用, 即有恒流輸出的特性, 使之接近一個(gè)恒流源。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

三、直流反饋與交流反饋

如果反饋量只含直流量，則稱為直流反饋，如果反饋量只含有較流量，則稱為交流反饋?；蛘哒f，僅在直流通路存在的反饋稱為直流反饋；僅在交流通路中存在的反饋稱為交流反饋。在很多放大電路中，常常是交、直流反饋兼而有之。

1.3 反饋在運(yùn)放中的應(yīng)用

反饋電路在各種電子電路中都獲得普遍的應(yīng)用，尤其是在現(xiàn)代集成運(yùn)算放大器中它的作用更加明顯。由于集成運(yùn)放大多采用三極管或MOS管，而三極管和MOS管的靈敏度都很高，他們對(duì)溫度和電壓等的變化都特別敏感，因此如果運(yùn)放中沒有反饋電路的調(diào)節(jié)，那么運(yùn)放會(huì)很不穩(wěn)定，導(dǎo)致輸出與理論出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，所以反饋電路對(duì)運(yùn)算放大器非常重要。

現(xiàn)階段的運(yùn)放中的反饋電路一般分兩種，一為開關(guān)電容共模反饋電路，一為連續(xù)時(shí)間共模反饋電路，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，連續(xù)時(shí)間共模反饋電路對(duì)輸出共模電壓偏移的校推是連續(xù)進(jìn)行的。但開關(guān)電容共摸反饋電路對(duì)輸出共摸電壓的反饋控制是離散的，是在每次電荷轉(zhuǎn)移的半個(gè)時(shí)鐘周期中完成的，校準(zhǔn)也是在不斷重復(fù)的半時(shí)鐘周期內(nèi)完成的.所以分析方法和連續(xù)時(shí)間共模反饋電路不同。因此在實(shí)際的運(yùn)算放大器中兩種反饋機(jī)理隨電路需要而定。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

第二章 放大電路中的反饋

2.1 運(yùn)算放大器中的反饋

在實(shí)用放大電路中，幾乎都要引入這樣或那樣的反饋，以改善放大電路某方面的性能。因此，掌握反饋電路是研究實(shí)用電路的基礎(chǔ)。

2.1.1 四種組態(tài)負(fù)反饋放大電路

一、電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路

圖2-1所示電路將輸出電壓全部作為反饋電壓，而大多數(shù)電路均采用電阻分壓的方式將輸出電壓的一部分作為反饋電壓，如圖所示。電路個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)極性如圖中所標(biāo)注。由圖2-1可知，反饋量

Uf?R1U0 （2-1） R1?R3表明反饋量取自于輸出電壓，且正比于，并將于輸入電壓求差后放大，故電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。

圖2-1電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路

二、電流串聯(lián)負(fù)反饋電路

在圖2-2所示電路中，若將負(fù)載電阻R2接在R3處，則R2中就可得到穩(wěn)定的電流，如圖2-3所示，習(xí)慣上常畫成圖（b）所示形式。電路中相關(guān)電位及電流的瞬時(shí)極性和電流流向如圖中所標(biāo)注。由圖可知，反饋量

uf?i0R1 （2-2） 表明反饋量取自于輸出電流i0，且轉(zhuǎn)換為反饋電壓uf，并將與輸入電壓u1求差后放大，故電路引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

(a) (b)

圖2-2 電流串聯(lián)負(fù)反饋電路

三、電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路

在圖2-3所示電路中，相關(guān)電位及電流的瞬時(shí)極性和電流流向如圖所標(biāo)注。由圖可

知，反饋量

if??u0 （2-3） R表明反饋量取自輸出電壓u0，且轉(zhuǎn)換成反饋電流iF,并將與輸入電流i1求差后放大，因此電路引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。

圖2-3 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路

四、電流并聯(lián)負(fù)反饋電路

在圖2-4所示電路中，各支路電流的瞬時(shí)極性如圖所標(biāo)注。由圖可知，反饋量 iF??R2i0 （2-4） R1?R2表明反饋信號(hào)取自輸出電流i0，且轉(zhuǎn)換成反饋電流iF，并將與輸入電流i1求差后放大，因而電路引入電流并聯(lián)負(fù)反饋。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖2-4 電流并聯(lián)負(fù)反饋電路

2.1.2 反饋組態(tài)的判斷

一、電壓反饋與電流的判斷

若反饋量與輸出電壓成正比則為電壓反饋；若反饋量與輸出電流成正比則為電流反饋。通?？梢圆捎秘?fù)載短路法來判斷。

從概念上說，若反饋量與輸出電壓（有時(shí)不一定是輸出電壓，而是取樣處的電壓）成正比則為電壓反饋；若反饋量與輸出電流（有時(shí)不一定是輸出電流，而是取樣處的電流）成正比則為電流反饋。在判斷電壓反饋和電流反饋時(shí)，除了上述方法外，也可以采用負(fù)載短路法。負(fù)載短路法實(shí)際上是一種反向推理法，假設(shè)將放大電路的負(fù)載電阻RL短路（此時(shí)，V0?0），若輸入回路中仍然存在反饋量，即Xf?0，則為電流反饋；若輸入回路中已不存在反饋，即Xf?0則為電壓反饋[4]。

判斷電壓反饋和電流反饋更直觀的方法是根據(jù)負(fù)載電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)的連接方式來區(qū)分電壓反饋與電流反饋。將負(fù)載電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)看作雙端網(wǎng)絡(luò)（在反饋放大電路中其中一端通常為公共接地端），若負(fù)載電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)，則反饋量對(duì)輸出電壓采樣，為電壓反饋。否則，反饋量無法直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，則只能對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，即為電流反饋。

電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓；而電流負(fù)反饋則可以穩(wěn)定輸出電流。區(qū)分電壓反饋與電流反饋只有在負(fù)載電阻RL變動(dòng)時(shí)才有意義。如果RL固定不變，因輸出電壓與輸出電流成正比，所以，在穩(wěn)定輸出電壓的同時(shí)也必然穩(wěn)定輸出電流，反之亦然，二者效果相同。但是當(dāng)負(fù)載電阻RL改變時(shí)，二者的效果則完全不同，電壓負(fù)反饋在穩(wěn)定輸出電

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

壓V0時(shí)，輸出電流將更不穩(wěn)定；而電流負(fù)反饋在穩(wěn)定輸出電流I0時(shí)，輸出電壓V0將更不穩(wěn)定。

圖2-5 電壓反饋與電流反饋的判斷

如圖2-5 (a)，反饋電壓Vf?I0R2R1，反饋量與輸出電壓成正比，故為電壓饋

R1?R2?Rf圖2-5 (b)，反饋電流If?I0R2，反饋量與輸出電流成正比，故為電流反饋。也可

R2?Rf用負(fù)載短路法來判斷，如圖2-6 (a)中，將RL短路時(shí)（此時(shí)，V0?0），如圖2-6 (a)所示。由于輸入回路中不存在反饋（Vf?0），所以圖2-6(a)電路為電壓反饋。將圖2-5 (a) 中RL短路時(shí)（此時(shí)，V0?0，如圖2-5(b)所示，輸入回路中仍然存在反饋量（Vf?I0饋。

R2R1），說明反饋對(duì)輸出電流取樣，所以圖2-6 (a)電路應(yīng)為電流反

R1?R2?Rf

圖2-6 負(fù)載短路法判斷電壓反饋與電流反饋

二、串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判斷

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖2-7所示為串聯(lián)、并聯(lián)反饋框圖

圖2-7 串聯(lián)、并聯(lián)反饋框圖

串聯(lián)反饋電路在結(jié)構(gòu)上的特征是: 輸人信號(hào)、反饋信號(hào)、凈輸人信號(hào)三者以電壓形式在輸人回路相串聯(lián)。若將反饋網(wǎng)絡(luò)與放大電路輸人端的連接點(diǎn)(圖中A 點(diǎn))對(duì)地短路, 如圖中虛線所示, 則輸人信號(hào)仍能加至放大器件的兩個(gè)輸人端之間;

并聯(lián)反饋電路在結(jié)構(gòu)上的特征是: 輸人信號(hào)、反饋信號(hào)、凈輸人信號(hào)三者以電流形式在輸人回路相并聯(lián)。若將反饋網(wǎng)絡(luò)與放大電路輸人端的連接點(diǎn)(圖中A 點(diǎn))對(duì)地短路, 如圖中虛線所示, 則輸人信號(hào)不能加至放大器件的兩個(gè)輸人端之間。

由此, 得出串聯(lián)、并聯(lián)反饋的短路判別方法為:

令反饋電路中反饋網(wǎng)絡(luò)與放大電路輸人端的連接點(diǎn)對(duì)地短路, 若輸人信號(hào)仍能加至放大器件的兩個(gè)輸人端之間, 則為串聯(lián)反饋; 若輸人信號(hào)不能加至放大器件的兩個(gè)輸人端之間, 則為并聯(lián)反饋[5]。

2.2 反饋對(duì)放大電路性能的影響

在放大電路中引入負(fù)反饋，雖然會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)增益的下降，但能使放大電路的許多性能得到改善。例如，可以提高增益的穩(wěn)定性，擴(kuò)展通頻帶，減小非線性失真，改變輸入電阻和輸出電阻等。下面將分別加以討論[6]。

2.2.1 穩(wěn)定放大倍數(shù)

放大電路的增益可能由于元器件參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化、電源電壓的變化、負(fù)載大小的變化等因素的影響而不穩(wěn)定，引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋后，可提高閉環(huán)增益的穩(wěn)定性。

當(dāng)放大電路中引入深度交流負(fù)反饋時(shí)， AF?1，即閉環(huán)增益AF幾乎僅決定于反饋網(wǎng)F絡(luò)。反饋網(wǎng)絡(luò)通常由性能比較穩(wěn)定的無源線性元件（如R、C 等）組成，因而閉環(huán)增

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

益是比較穩(wěn)定的。一般情況下，為了從數(shù)量上說明增益的穩(wěn)定程度，常用有、無反饋時(shí)增益的相對(duì)變化量的大小來衡量。用

.dAdA和 F分別表示開環(huán)和閉環(huán)增益的相對(duì)變化

AFA量，此時(shí)用正實(shí)數(shù)A和F分別表示A和F的模，則閉環(huán)增的表達(dá)式變?yōu)? AF?對(duì)上式求導(dǎo)數(shù)得

dAF1? (2-6) dA?1?AF?2dA （2-7) 2?1?AF?A （2-5） 1?AF

dAF?將等式（2-5）兩邊分別除以 AF?A，則得相對(duì)變化量形式，即 1?AFdAF1dA? （2-8） AF1?AFA

由式（2-6）可見，加入負(fù)反饋后，閉環(huán)增益的相對(duì)變化量為開環(huán)增益相對(duì)變化量

**dA1的，即閉環(huán)增益的相對(duì)穩(wěn)定度提高了，1?AF愈大，即反饋越深，F(xiàn)越小，

AF1?AF閉環(huán)增益的穩(wěn)定性越好[7]。

2.2.2 改變輸入電阻和輸出電阻

負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響取決于反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸入回路的連接方式，而與輸出回路中反饋的取樣方式無直接關(guān)系（取樣方式只改變AF的具體含義）。因此，分析負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響時(shí)，只需畫出輸入回路的連接方式，如圖2-8所示。其中

Ri是基本放大電路的輸入電阻（開環(huán)輸入電阻），Rif是負(fù)反饋放大電路的輸入電阻（閉

??環(huán)輸入電阻）[8]。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖2-8 負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響

1．串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大

2．與開環(huán)時(shí)相比，在串聯(lián)負(fù)反饋放大電路中，由于反饋信號(hào)Vf與輸入信號(hào)Vi在輸入回路中進(jìn)行串聯(lián)比較，結(jié)果使基本放大電路的凈輸入信號(hào)Vid下降，輸入電流Ii較之開環(huán)時(shí)為小，故閉環(huán)輸入電阻Rif?Vi/Ii比開環(huán)輸入電阻Ri高。反饋越深，Rif增加得越多。由圖可知，開環(huán)輸入電阻為

Ri?Vid/Ii （2-9） 有負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)輸入電阻為

Rif?Vi/Ii （2-10）

而 （2-11）

所以 （2-12）

由此可知，引入串聯(lián)負(fù)反饋后，輸入電阻Rif是開環(huán)輸入電阻Ri的（1+）倍。

應(yīng)當(dāng)指出，在某些負(fù)反饋放大電路中，有些電阻并不在反饋環(huán)內(nèi)，如共射電路中的基極電阻Rb，反饋對(duì)它并不產(chǎn)生影響。這類電路的方框圖如圖2-8(b)所示，可以看出

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（2-13）

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

而整個(gè)電路的輸入電阻

（2-14）

因此，更確切地說，引入串聯(lián)負(fù)反饋，使引入反饋的支路的等效電阻增大到基本放大電路輸入電阻的（1+

）倍。但不管哪種情況，引入串聯(lián)負(fù)反饋都將使輸入電阻增大。

2．并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小

由圖2-8(c)可見，在并聯(lián)負(fù)反饋放大電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路的輸入電阻并聯(lián)，因此閉環(huán)輸入電阻Rif小于開環(huán)輸入電阻Ri。由于

， （2-15）

而 （2-16）

所以 （2-17）

此式表明，引入并聯(lián)負(fù)反饋后，閉環(huán)輸入電阻是開環(huán)輸入電阻的1/(1+負(fù)反饋對(duì)放大電路輸出電阻的影響

)倍。

負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響取決于反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出回路的取樣方式，與反饋網(wǎng)絡(luò)在輸入回路的連接方式無直接關(guān)系（輸入連接方式只改變

的具體含義）。因?yàn)槿?p>樣對(duì)象就是穩(wěn)定對(duì)象。因此，分析負(fù)反饋對(duì)放大電路輸出電阻的影響，只要看它是穩(wěn)定輸出信號(hào)電壓還是穩(wěn)定輸出信號(hào)電流[8]。 1．電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小

電壓負(fù)反饋取樣于輸出電壓，又能維持輸出電壓穩(wěn)定，就是說，輸入信號(hào)一定時(shí)，電壓負(fù)反饋放大電路的輸出趨于一恒壓源，其輸出電阻很小?？梢宰C明，有電壓負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)輸出電阻為無反饋時(shí)開環(huán)輸出電阻的1/(1+

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)①。反饋愈深，Rof愈小。

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

2．電流負(fù)反饋使輸出電阻增加

電流負(fù)反饋取樣于輸出電流，能維持輸出電流穩(wěn)定，就是說，輸入信號(hào)一定時(shí)，電流負(fù)反饋放大電路的輸出趨于一恒流源，其輸出電阻很大?？梢宰C明，有電流負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)輸出電阻為無反饋時(shí)開環(huán)輸出電阻的(1+

)倍。反饋愈深，Rof愈大。

2.2.3 展寬頻帶

負(fù)反饋具有穩(wěn)定閉環(huán)增益的作用，即引入負(fù)反饋后，由各種原因，包括信號(hào)頻率的變化引起的增益的變化都將減小。

為使分析簡(jiǎn)單，設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，而且基本放大電路在高頻段和低頻段各僅有一個(gè)拐點(diǎn)，其高頻增益的表達(dá)式為 AH??AMf1?jfH? （2-18）

?為開環(huán)中頻增益為，f開環(huán)上限頻率。 式中AHM引入負(fù)反饋后，高頻段閉環(huán)增益的表達(dá)式為

?F?，得 分子、分母同除以1?AM （2-19）

?????? (2-20)

式中 AMF?AM(1?AMF) 為中頻區(qū)閉環(huán)增益，fHF?(1?AMF)fH為閉環(huán)上取勝頻率。 同理，可求出閉環(huán)下限頻率為

fLF?fL(1?AMF)11

?? (2-21)

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

由上述結(jié)果可見，引入負(fù)反饋后，中頻閉環(huán)增益下降為

????AM(1?AMF)???上限頻率擴(kuò)展為

(1?AMF)fH，即通頻帶擴(kuò)展到無反饋時(shí)的(1?AMF)倍。

如果基本放大電路有多個(gè)拐點(diǎn)，且反饋網(wǎng)絡(luò)又不是純電阻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，問題就比較復(fù)雜了，但是通頻帶展寬的趨勢(shì)不變。

2.2.4 減小非線性失真

三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件具有非線性的特性，因而由它們組成的基本放大電路的電壓傳輸特性也是非線性的，當(dāng)輸入正弦信號(hào)的幅度較大時(shí)，輸出波形就會(huì)產(chǎn)生非線性失真[9]。

引入負(fù)反饋后，將使放大電路的閉環(huán)電壓傳輸特性曲線變平緩，線性范圍明顯展寬。在深度負(fù)反饋條件下，AF?*1F* ，若反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，則閉環(huán)電壓傳輸特性曲線

在很寬的范圍內(nèi)接近于直線，輸出電壓的非線性失真會(huì)明顯減小。

需要說明的是，加入負(fù)反饋后，若輸入信號(hào)的大小保持不變，由于閉環(huán)增益降至開環(huán)增益的

11 ，基本放大電路的凈輸入信號(hào)輸出信號(hào)也降至開環(huán)時(shí)的 ，1?AF1?AF顯然，三極管等器件的工作范圍變小了，其非線性失真也相應(yīng)地減小了。為了去除工作范圍變小對(duì)輸出波形失真的影響，以說明非線性失真的減小是由負(fù)反饋?zhàn)饔玫慕Y(jié)果，必須保證閉環(huán)和開環(huán)兩種情況下，有源器件的工作范圍相同（輸出波形的幅度相同），因此，應(yīng)使閉環(huán)時(shí)的輸入信號(hào)幅度加至開環(huán)時(shí)的1?AF 倍，另外，負(fù)反饋只能減小反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真，如果輸入信號(hào)本身就存在失真，負(fù)反饋則為力。

**2.3 共模反饋電路及源跟隨器

全差分運(yùn)算放大器是模擬集成電路中的一種極其關(guān)鍵的電路單元，在它的線性應(yīng)用中,要求其具有很高的增益和較大的輸出擺幅。而差分運(yùn)放大多采用具有很大交流阻抗的恒流源作為負(fù)載以實(shí)現(xiàn)較高增益，但這通常會(huì)帶來一個(gè)問題，即輸出共模電壓難以穩(wěn)

12

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

定。因此需要加入能穩(wěn)定共模電壓的負(fù)反饋電路，從而保證運(yùn)放的正常工作[10]。

2.3.1 共模反饋電路定義

為了理解共模負(fù)反饋（Common Mode Feed Back），從一個(gè)簡(jiǎn)單的電流源負(fù)載差分放大器開始分析，由于放大器常常閉環(huán)使用，且為分析問題起見，將輸入和輸出短接，如圖2-9所示：

圖2-9 共模反饋機(jī)理

在這種情況下，節(jié)點(diǎn)X 和Y 的共模電壓將很難穩(wěn)定，因?yàn)椴罘謱?duì)的每一邊的電流為Iss/2，因此VCM依賴于M3 和M4 處于飽和狀態(tài)的漏源電流IDSat3 和IDSat4 與Iss/2 的接近程度。假如由于工藝離散性或參考電源給出的電壓Vdd 發(fā)生變化而造成了M3、M4 處于飽和區(qū)的漏源電流IDsat 略大于Iss/2，則為了滿足kirchoff 電流定律，節(jié)點(diǎn)X 和Y 的電壓必須升高以使M3、M4 進(jìn)入線性區(qū)來滿足ID3,4=Iss/2，此時(shí)的輸出共模電壓VCM 將高于正常工作點(diǎn)；同理若M3、M4 處于飽和區(qū)的電流小于Iss/2，那么VCM 將低于工作點(diǎn)。這可以從另一個(gè)角度來定量的理解。

圖2-10 高增益運(yùn)放的簡(jiǎn)單模型

圖2-10所示為高增益運(yùn)放的簡(jiǎn)單模型，假如PMOS 和NMOS電流鏡存在不匹配，即IP 不等于IN，那么P N I - I 就會(huì)給輸出共模電壓造成PNOPNOPI?I?R?I?Rr的

13

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

變化，其中PON和ROP分別為PMOS 和NMOS電流鏡的輸出電阻，例如：若I =15ìA

PNI?I = 266K，則VCM 將偏移高達(dá)3.99V，此時(shí)運(yùn)放根本不能正常工作。所以在實(shí)

際運(yùn)用中需要一個(gè)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定輸出共模電壓，即：共模負(fù)反饋（CMFB）。這個(gè)CMFB 必須能感應(yīng)VCM 的變化，并能根據(jù)變化調(diào)節(jié)電路偏置從而穩(wěn)定

VCM[11]。

2.3.2 共模反饋電路的組成

共模反饋電路通常由三部分組成： （1）共模電平檢測(cè)電路；

（2）與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較的比較電路；

（3）將比較結(jié)果放大后反饋回差分放大器的放大電路；

2.2.3 源跟隨器的定義與作用

近幾年，VLSI 技術(shù)飛速發(fā)展, 集成電路中晶體管尺寸越來越小，柵長(zhǎng)最小尺寸已達(dá)到0.1Lm 程度，隨著集成電路向超微細(xì)化、超高密度化的發(fā)展,，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片上的電路規(guī)模不斷擴(kuò)大，大型電路系統(tǒng)的芯片化已可實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，占芯片面積80%以上的布線的寄生電容就成為導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作速度下降的主要原因之一[12]。例如，對(duì)于微型處理器要使用系統(tǒng)時(shí)鐘來控制整個(gè)芯片的動(dòng)作，這時(shí)，常常是由一個(gè)時(shí)鐘電路來產(chǎn)生帶動(dòng)整個(gè)芯片動(dòng)作的各種控制信號(hào)。也就是說，提供時(shí)鐘信號(hào)的布線將很長(zhǎng)，有時(shí)可達(dá)到幾厘米. 如何高速的驅(qū)動(dòng)這種具有大電容負(fù)載的數(shù)據(jù)線，是我們所面臨的重大課題。

另一方面，輸出端緩沖電路也必須驅(qū)動(dòng)比基本柵極大數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍的外部負(fù)載。由此可知，負(fù)載驅(qū)動(dòng)緩沖電路是集成電路中不可缺少的重要部分。為了驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載，通常采用由超大柵寬CMOS反相器所組成的緩沖電路[13]。但是, 柵寬過大使緩沖電路本身也成為了不容忽略的電容負(fù)載。為此，CMOS源極跟隨器引起我們的注意。由于CMOS源極跟隨器具有輸入與輸出同相的特點(diǎn)，柵極電容可以等價(jià)地看作很小，因此CMOS源極跟隨器被越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代集成電路的設(shè)計(jì)中。

14

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

第三章 采用源跟隨器的共模反饋電路的設(shè)計(jì)與仿真

由于在高增益放大器中輸出共模電平對(duì)輸入電壓的變化、器件的特性和失配等相當(dāng)敏感, 而且不能通過差動(dòng)反饋來達(dá)到穩(wěn)定, 因此, 必須增加共模反饋( CMFB) 網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定電路的共模電平和靜態(tài)工作點(diǎn), 以避免器件偏離飽和工作態(tài), 失去對(duì)信號(hào)的放大作用。CMFB 本質(zhì)上是一個(gè)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò), 通過檢測(cè)兩個(gè)輸出端的共模電平, 并有根據(jù)地調(diào)節(jié)放大器的一個(gè)偏差電流, 從而達(dá)到穩(wěn)定直流電壓的目的[14]。

本文設(shè)計(jì)了一種新的共模反饋( CMFB) 電路, 與頻率補(bǔ)償電路一起, 使該電路具有較高的增益和帶寬, 同時(shí)使共模輸出電壓穩(wěn)定在電源電壓的一半附近, 保證輸出電壓擺幅能達(dá)到最大。

3.1 電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3.1.1 電路結(jié)構(gòu)

共模反饋電路一般結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：

圖3-1共模反饋電路結(jié)構(gòu)

本文采用的共模反饋電路如下所示：

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖3-2 共模反饋整體電路

圖3-2所示為CMFB電路,第Ⅰ部分為共模電平檢測(cè)電路, 由上下兩個(gè)完全對(duì)稱的檢測(cè)電路構(gòu)成, 其兩輸入端分別與差分運(yùn)放的輸出端( OUT+ 、OUT-) 連接; 第Ⅱ部分為由六個(gè)MOS管和一個(gè)電阻構(gòu)成的電流源，為比較器提供偏置。第Ⅲ部分為雙端輸入單端輸出結(jié)構(gòu)的比較器。

3.1.2 共模檢測(cè)電路原理

下面詳細(xì)分析該共模檢測(cè)電路的工作原理:

假設(shè)圖中第一級(jí)共模輸出電壓有較小的電壓變化△V, 則MN2 電流增加值為gmN2△V, MN1電流減小值為gmN1△V。設(shè)計(jì)時(shí), 使MN1、MN2相同,即有g(shù)mN1=gmN2 , 則作為二極管連接的MN3、MN4中電流值不變, 那么N1節(jié)點(diǎn)電壓亦保持不變(設(shè)置在VDD = 0. 5左右)。同理, 可以推知P1 節(jié)點(diǎn)電壓同樣不變。那么,共模檢測(cè)電路輸出節(jié)點(diǎn)( CM)電平為一恒定值( VDD = 0. 5左右)。

此時(shí), 差分輸出電壓變化小, 共模檢測(cè)電路中各個(gè)管子均正常工作, 兩對(duì)稱的檢測(cè)電路任存其一即可完成任務(wù); 而當(dāng)差分輸出電壓變化較大, 致使共模檢測(cè)電路輸入對(duì)管之一處于截止?fàn)顟B(tài), 則需要兩者協(xié)同工作, 才能維持電路穩(wěn)定。

假設(shè)共模檢測(cè)輸入電壓為： Vout?= 0.5VDD—△V ， Vout?= 0.5VDD—△V。其中，△V大于0且較大,使MN1、MP2均截止，那么：

VGSN2 =Vout?+ = 0.5VDD + △V ，且：

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

VGSP1= VDD—?Vout??= 0.5VDD+△V=VGSN2 （3-1）

共模檢測(cè)輸出電壓為VCM= 0.5?VN1?VP1?，而VN1= VDD — VGSN3 — VGSN4，VP1=

VGSP3?VGSP4 。

將這兩個(gè)電壓值代入共模檢測(cè)輸出電壓公式：

VCM = 0. 5VDD + 0. 5?VGSP3?VGSP4??VGSN3?VGSN4?? (3-2) 由MOS管飽和電流公式ID= 0.5?(VGS?VTH)2，對(duì)二極管連接方式的MN3管，有： (VGSN3?VTHN)2?2同理可得：

?VGSN4?VTHN??K1?VGSN2?VTHN? （3-4）

22IN3?N3?2IN2?N3?K1IN2?N2 ?K1(VGSN2?VTHN)2 （3-3）

?VGSP3?VTHP??K2?VGSP1?VTHP? （3-5）

22 ?VGSP4?VTHP??K2?VGSP1?VTHP? （3-6）

22其中，K1??N2?,K2?P1 ?N3?P3由(3- 1)及( 3-3) ~ ( 3-6) 式，有：VGSP3?VGSP4?VGSN3?VGSN4

將這個(gè)結(jié)果代入( 3-2) 式, 可得：VCM = 0. 5VDD。此即表示，在差分輸出電壓變化較大的情況下，VCM 依然能保持恒定。

綜上所述，可以推知，無論差分輸出如何變化,共模反饋電路均能穩(wěn)定電路的直流工作點(diǎn)。

3.1.3 計(jì)算電路參數(shù)

基于0.5μm CMOS工藝，共模反饋電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表：

表3-1 技術(shù)指標(biāo)

增益

≥10DB

相位裕量 帶寬 ICMR

1~4v

功耗

＜2mw

≥60° ≥10MHZ

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上給出的性能指標(biāo)，結(jié)合CMOS器件理論計(jì)算公式，提取典型工藝參數(shù)計(jì)算出各MOS管參數(shù)，過程如下所示：

un?600cm2/v/s,up?200cm2/v/s,?n?0.03V?1?p?0.06V?1,Tox?20e?9,Cox?50A/200A?6.9fF/um2?1.73fF/um2

分配電流：

PDC?VDDItot?2mW,VDD?5V,Itot?I5?I7?I8?I9?400uA

I5?SR?CC?30?106?1?10?12?30uAI7?SR?(CC??CL)?30?10?4?106?12?120uA

考慮單位增益帶寬要盡可能大，在參照以上比例的同時(shí)稍微加大第一級(jí)的電流，分配如下：

I8?I9?20uA,I5?80uA,I7?300uA

I15?I16?I17?I18?400uA I17?I18?80uA I15?I16?160uA

令放大管M1 的過驅(qū)動(dòng)電壓為0.2V,則：

2I180?10?6?W???58 ????62L34.5?10?0.04??1KP(VGS1?Vthp)選取L1?Lmin?1um.則W1?W2?58um，

2I152?160?10?6?W???2 ????620?10?0.25?L?15KP(VGSS?Vthp)選取L15?L16?2um.則W15?W16?4um

?W??W??W?I????????15?2?4?8 ?L?15?L?16?L?17I17選取L17?L18?1um.則W17?W18?8um

M3 和M4 構(gòu)成電流鏡負(fù)載，當(dāng)VSG4?VSG6時(shí)鏡像最好，失調(diào)最小。這時(shí)有：

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

?W????L?4?I4??W??40?145?19.33

??WI6???L?300???L?6選取L3?L4?2um,則W3?W4?39um

由輸出動(dòng)態(tài)范圍確定。輸出范圍1-4.V,則M5過驅(qū)動(dòng)電壓為0.5V。

2I52?80?10?6?W???18.6 ????6234.5?10?0.25?L?5KP(VGSS?Vthp)選取L5=Lmin=1um，則W5=18um

20?W??W??W?I8?18.6??4.65 ????????80?L?8?L?9?L?5I5選取L8=L9=Lmin=1μm,則W8=W9=5μm

表3-2 管子尺寸

MMM

1 2 3

M4

M5 18 1

MMMMMMMMMMMMMMMMM6 7 8 9 1111111111222

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 72 1

70 1

5 1

5 1

5 1

5 1

5 1

5 1

4 2

4 4 8 8 4 4 8 8 2 2 1 1 2 2 1 1

W L

5539 38 8 9 1 1 2 2

經(jīng)相頻幅頻仿真分析，開環(huán)增益為32.73dB，單位增益帶寬為66.81MHz，輸出擺幅為由0.62V到3.84V不能達(dá)到指標(biāo)要求。仿真結(jié)果如下圖所示。

圖3-3 相頻及幅頻特性曲線圖

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖3-3為整體電路相頻及幅頻特性仿真圖，上是相位裕量仿真下是電路增益仿真，可以看出電路的開環(huán)增益為32.73dB，相位裕量267.15°，單位增益帶寬66.81MHz不能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3-4 電路擺幅仿真圖

圖3-4為電路擺幅仿真圖，由圖看出電路的輸出擺幅變動(dòng)為由0.62V到3.84V，擺幅不滿足設(shè)計(jì)要求（1~4V）。

由于，輸出擺幅及幅頻特性均不滿足設(shè)計(jì)要求，因此需對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，為了得到更大的輸出擺幅、電路增益和更好的相位裕度整體電路作如下改進(jìn)：

圖3-5 改進(jìn)后的共模反饋整體電路

上圖3-5所示為改進(jìn)后的整體電路圖，為了得到更好的相位裕度在輸出級(jí)加入頻率補(bǔ)償管M14及電容Cc，為了得到更大的輸出擺幅，因此輸出端加入共源極MOS管M7，

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

M6形成源跟隨結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上給出的性能指標(biāo)，結(jié)合CMOS器件理論計(jì)算公式，提取典型工藝參數(shù)計(jì)算出MOS管參數(shù)，過程如下所示：

un?600cm2/v/s,up?200cm2/v/s,?n?0.03V?1?p?0.06V?1,Tox?20e?9,Cox?50A/200A?6.9fF/um2?1.73fF/um2

為了得到60°的相位裕度，理論上要求零點(diǎn)在10GBW之外，可以證明：

即： P.2GBW2?2gm6g?2.2m1C2Cc gm6g?10m1 CcCc可以得到：C ?0.22C,這里，C?C，因此：C?0.22C?0.66pF,選擇C?1pFc22LCLC令放大管M6 的過驅(qū)動(dòng)電壓為0.2V,則：

2I62?300?10?6?W???72 ???2?6?L?6Kn(VGS6?Vthn)103.6?10?0.04選取L6?Lmin?1um.則，W6?72um

由輸出動(dòng)態(tài)范圍確定。輸出范圍1-4.V,則M7過驅(qū)動(dòng)電壓為0.5V。

I?W?300?W??18.6?69.75 ???7?????L?7I5?L?580選取L7=Lmin=1um，則，W7=70um

表3-2 調(diào)整后的MOS管參數(shù)值

MMM1 2 3

M4

M5 18 1

MMMMMMMMMMMMMMMMM6 7 8 9 1111111111222

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 72 1

70 1

5 1

5 1

5 1

5 1 5 1

5 1

4 2

4 4 8 8 4 4 8 8 2 2 1 1 2 2 1 1

W L 5539 38 8 9 1 1 2 2

3.2 仿真結(jié)果

采用Tanner EDA電路仿真工具，并利用CSMC 0.5um工藝模型參數(shù)，可對(duì)電路進(jìn)

21

采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

行仿真，仿真結(jié)果如下：

圖3-6 改進(jìn)后相頻及幅頻特性曲線圖

圖3-6為電路功能仿真，圖中虛線為輸入電壓Vin，中間黑色實(shí)線為輸出電壓Vcm可以看出無論差分輸出如何變化,共模反饋電路均能將電路的直流工作點(diǎn)穩(wěn)定在2.5V

圖3-7 改進(jìn)后相頻及幅頻特性曲線圖

圖3-7為加入頻率補(bǔ)償后的整體電路相頻及幅頻特性仿真圖，上是相位裕量仿真下是電路增益仿真，可以看出電路的開環(huán)增益為45.21dB，相位裕量.68°，單位增益帶寬138.04MHz滿足設(shè)計(jì)要求。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖3-8 改進(jìn)后電路擺幅仿真圖

圖3-8為電路擺幅仿真圖，由圖看出再加入共源極跟隨器后電路的輸出擺幅變動(dòng)為由0到電源電壓，擺幅為0~5V滿足設(shè)計(jì)要求（1~4V）。

圖3-9 輸出電流圖

圖3-9為整體電路的輸出電流，Iout=158uA,計(jì)算功耗=5V×158×10-6A=0.79mW滿足設(shè)計(jì)要求。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖3-10 溫度大小對(duì)電路的影響

圖3-10中上面的波形為輸入溫度大小對(duì)電路的影響，從上至下分別為80°、60°、45°、20°、0°是的輸出曲線。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

第四章 共模反饋電路的版圖設(shè)計(jì)

4.1 版圖設(shè)計(jì)

版圖是將電路中所有元器件及其相互連接轉(zhuǎn)換成能進(jìn)行芯片光刻加工、正確可靠的掩模圖形數(shù)據(jù)，是集成電路物理設(shè)計(jì)的結(jié)果，同時(shí)也是集成電路設(shè)計(jì)與制造之間的惟一聯(lián)系[15]。版圖設(shè)計(jì)在整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)中占有著重要的地位，它直接影響芯片最終的性能和功能。特別是對(duì)于模擬集成電路的版圖設(shè)計(jì)，它比數(shù)字集成電路的版圖設(shè)計(jì)要求更高，平面布局及各器件幾何圖形的設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)芯片的性能產(chǎn)生明顯的影響，在設(shè)計(jì)版圖時(shí)應(yīng)注意采取措施控制器件之間的串?dāng)_、失配、噪聲等效應(yīng)，要針對(duì)每個(gè)晶體管進(jìn)行電路參數(shù)和版圖優(yōu)化，以獲得最佳的性能及最小的芯片面積[16]。

在版圖設(shè)計(jì)中,為了提高M(jìn)OS晶體管的匹配,應(yīng)按照MOS晶體管匹配原則進(jìn)行 版圖設(shè)計(jì),具體如下：

1.將大尺寸MOS晶體管分成相同的叉指(finger)圖形。 2.盡可能地使用共質(zhì)心版圖結(jié)構(gòu)。 3.使MOS晶體管的排列方向一致。

4.在陣列晶體管的末段放置虛擬(duminy)段。 5.把晶體管放在低應(yīng)力梯度區(qū)域。 6.在有源柵區(qū)上方不要設(shè)置接觸孔。 7.匹配MOS晶體管的版圖應(yīng)僅可能緊湊。 8.盡量避免金屬連線穿過有源柵區(qū)。 9.匹配MOS晶體管應(yīng)遠(yuǎn)離功率器件。

4.2 版圖驗(yàn)證

版圖布局、布線完成后就必須進(jìn)行必要的驗(yàn)證檢查。常規(guī)的驗(yàn)證項(xiàng)目有：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）、電學(xué)規(guī)則檢查（ERC）和版圖與電路圖一致性檢查（Lvs）[17]。首先進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，若發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤則必須重新進(jìn)行布局、布線直至完全符合工藝設(shè)計(jì)規(guī)則的要求，然后再進(jìn)行電學(xué)規(guī)則檢查和版圖與電路圖一致性檢查。出現(xiàn)錯(cuò)誤必須重新布局、布線，并進(jìn)行DRC檢查，直至沒有錯(cuò)誤為止。

本文只進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC驗(yàn)證），所以只介紹設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。設(shè)計(jì)規(guī)則檢查

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

是一種保證試制的器件和電路最低限度能正常工作的版圖規(guī)則。決定因素如：工藝尺寸、電學(xué)特性、最小加工尺寸、元器件的精度、加工精度、光刻板的對(duì)版精度等，常見的DRC規(guī)則：

1. 圖形的最小寬度，最大寬度。 2. 相同圖形邊沿間的距離。 3. 不同圖形邊沿間的距離。 4. 層的密度。（柵，金屬）

4.2.1 主電路版圖

基于0.5umCMOS工藝模型參數(shù)，使用Tanner EDA工具，對(duì)本文設(shè)計(jì)的折疊共源共柵運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)版圖，并進(jìn)行DRC驗(yàn)證。

圖4-1 整體電路版圖

圖4-1為共模反饋電路版圖，版圖面積=171um×249um=42579um2

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖4-2 整體電路版圖DRC驗(yàn)證

圖4-2為共模反饋電路版圖進(jìn)行DRC驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)果表明，DRC驗(yàn)證無任何錯(cuò)誤，可以通過DRC驗(yàn)證。

4.2.2 偏置電路版圖

基于0.5umCMOS工藝模型參數(shù)，使用Tanner EDA工具，對(duì)本文設(shè)計(jì)的折疊共源共柵運(yùn)算放大器的偏置電路設(shè)計(jì)版圖，并進(jìn)行DRC驗(yàn)證。圖為偏置電路版圖進(jìn)行DRC驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)果表明，DRC驗(yàn)證無任何錯(cuò)誤，可以通過DRC驗(yàn)證。圖為偏置電路版圖，版圖面積=39um×38um=1482um2。

圖4-3 偏置電路版圖

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

圖4-3為共模反饋電路版圖，版圖面積=38um×39um=1482um2

圖4-4 偏置電路版圖DRC驗(yàn)證

圖4-4為偏置電路版圖DRC驗(yàn)證結(jié)果，結(jié)果表明，DRC驗(yàn)證無任何錯(cuò)誤，可以通過DRC驗(yàn)證。

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結(jié)論

本課題基于CSMC 0.5μm CMOS工藝模型參數(shù)設(shè)計(jì)了一種新的共模反饋電路這種電路克服了一般共模反饋電路存在的輸出擺幅的缺點(diǎn)，在穩(wěn)定電路直流工作點(diǎn)的同時(shí)， 能有效提高電路的輸出擺幅，采用Tanner EDA工具，對(duì)電路進(jìn)行DC、AC及瞬態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明，本課題設(shè)計(jì)的共模反饋電路具有45.21dB的開環(huán)增益（設(shè)計(jì)指標(biāo)：>10dB），在5pF的負(fù)載電容條件下，運(yùn)放的相位裕量為.68°（設(shè)計(jì)指標(biāo)：>60°），單位增益帶寬為138.04MHz，（設(shè)計(jì)指標(biāo)：>10MHz），功耗為0.79mW（設(shè)計(jì)指標(biāo)：<2mW），輸出電壓擺幅0~5V。采用Tanner EDA工具，完成主電路版圖和偏置電路版圖的設(shè)計(jì)，并對(duì)主電路版圖和偏置電路版圖進(jìn)行DRC驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，DRC驗(yàn)證無任何錯(cuò)誤，可以通過DRC驗(yàn)證。分別給出了主電路版圖和偏置電路版圖的面積。綜上所述，整個(gè)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

附錄一

主電路相頻及幅頻特性仿真網(wǎng)表： .lib 'CSMC05.lib' TT Vdd Vdd Gnd 5V Vin Vp Gnd DC 0V AC 1V M1 6 Gnd 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M2 7 Vp 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M3 6 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M4 7 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M5 5 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=22.3u M6 out 7 Gnd Gnd nvn L=0.5u W=60u M7 out 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=83.7u M8 1 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M9 2 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M10 1 2 3 Gnd nvn L=1u W=8u M11 2 2 4 Gnd nvn L=1u W=8u M12 3 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M13 4 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M14 8 2 7 Gnd nvn L=1u W=40u M15 10 IN2 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M16 10 IN1 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M17 11 11 10 Vdd nvp L=1u W=8u M18 Gnd Gnd 11 Vdd nvp L=1u W=8u M19 Vdd Vdd 12 Gnd nvn L=2u W=4u M20 12 12 13 Gnd nvn L=2u W=4u M21 13 IN2 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M22 13 IN1 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u R1 10 CM 5K

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

R2 CM 2 5K C1 8 out 1pF C2 out Gnd 3pF .ac dec 20 1 1G

.print ac vdb(out)'vp(out)+180' .end

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

附錄二

主電路輸出電流仿真網(wǎng)表： .lib 'CSMC05.lib' TT Vdd Vdd Gnd 5V Vin Vp Gnd DC 0V AC 1V M1 6 Gnd 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M2 7 Vp 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M3 6 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M4 7 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M5 5 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=22.3u M6 out 7 Gnd Gnd nvn L=0.5u W=60u M7 out 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=83.7u M8 1 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M9 2 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M10 1 2 3 Gnd nvn L=1u W=8u M11 2 2 4 Gnd nvn L=1u W=8u M12 3 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M13 4 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M14 8 2 7 Gnd nvn L=1u W=40u M15 10 IN2 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M16 10 IN1 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M17 11 11 10 Vdd nvp L=1u W=8u M18 Gnd Gnd 11 Vdd nvp L=1u W=8u M19 Vdd Vdd 12 Gnd nvn L=2u W=4u M20 12 12 13 Gnd nvn L=2u W=4u M21 13 IN2 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M22 13 IN1 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u R1 10 CM 5K

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

R2 CM 2 5K C1 8 out 1pF C2 out Gnd 3pF .tran 0.01n 100n .print tran i(M7,out) .end

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附錄三

電路功能仿真： .lib 'CSMC05.lib' TT Vdd Vdd Gnd 5V Vin Vp Gnd DC 1V

M1 6 Gnd 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M2 7 Vp 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M3 6 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M4 7 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M5 5 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=22.3u M6 out 7 Gnd Gnd nvn L=0.5u W=60u M7 out 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=83.7u M8 1 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M9 2 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M10 1 2 3 Gnd nvn L=1u W=8u M11 2 2 4 Gnd nvn L=1u W=8u M12 3 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M13 4 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M14 8 2 7 Gnd nvn L=1u W=40u M15 10 IN2 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M16 10 IN1 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M17 11 11 10 Vdd nvp L=1u W=8u M18 Gnd Gnd 11 Vdd nvp L=1u W=8u M19 Vdd Vdd 12 Gnd nvn L=2u W=4u M20 12 12 13 Gnd nvn L=2u W=4u M21 13 IN2 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M22 13 IN1 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u R1 10 CM 5K

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

R2 CM 2 5K C1 8 out 1pF C2 out Gnd 3pF .DC Vin 0 5 0.1

.print dc v(Vdd) v(out) v(Vin) .end

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

附錄四

輸出擺幅仿真： .lib 'CSMC05.lib' TT Vdd Vdd Gnd 5V Vin Vp Gnd DC 0V

M1 6 Gnd 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M2 7 Vp 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M3 6 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M4 7 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M5 5 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=22.3u M6 out 7 Gnd Gnd nvn L=0.5u W=60u M7 out 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=83.7u M8 1 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M9 2 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M10 1 2 3 Gnd nvn L=1u W=8u M11 2 2 4 Gnd nvn L=1u W=8u M12 3 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M13 4 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M14 8 2 7 Gnd nvn L=1u W=40u M15 10 IN2 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M16 10 IN1 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M17 11 11 10 Vdd nvp L=1u W=8u M18 Gnd Gnd 11 Vdd nvp L=1u W=8u M19 Vdd Vdd 12 Gnd nvn L=2u W=4u M20 12 12 13 Gnd nvn L=2u W=4u M21 13 IN2 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M22 13 IN1 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u R1 10 CM 5K

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

R2 CM 2 5K C1 8 out 1pF C2 out Gnd 3pF .DC Vin 0 5 0.01 .print DC V(out) .end

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附錄五

*溫度對(duì)電路影響 .lib 'CSMC05.lib' TT Vdd Vdd Gnd 5V

Vin Vp Gnd pulse(0 2.5v 0 1n 1n 0.2u 0.4u) Vin1 Vn 0 1V

M1 6 Gnd 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M2 7 Vp 5 Vdd nvp L=1.2u W=70u M3 6 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M4 7 6 Gnd Gnd nvn L=2u W=39u M5 5 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=22.3u M6 out 7 Gnd Gnd nvn L=0.5u W=60u M7 out 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=83.7u M8 1 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M9 2 1 Vdd Vdd nvp L=1.2u W=5.8u M10 1 2 3 Gnd nvn L=1u W=8u M11 2 2 4 Gnd nvn L=1u W=8u M12 3 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M13 4 4 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M14 8 2 7 Gnd nvn L=1u W=40u M15 10 IN2 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M16 10 IN1 Vdd Vdd nvp L=2u W=4u M17 11 11 10 Vdd nvp L=1u W=8u M18 Gnd Gnd 11 Vdd nvp L=1u W=8u M19 Vdd Vdd 12 Gnd nvn L=2u W=4u M20 12 12 13 Gnd nvn L=2u W=4u M21 13 IN2 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u M22 13 IN1 Gnd Gnd nvn L=1u W=8u

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

R1 10 CM 5K R2 CM 2 5K C1 8 out 1pF C2 out Gnd 3pF .temp 0 25 40 60 80 .dc Vdd 1V 5V 0.01 .print v(out) .end

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采用源跟隨的共模反饋電路設(shè)計(jì)

致謝

本論文是在王超老師耐心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)下完成的。從本論文的選題、開題、仿真到論文的完成階段，王老師經(jīng)常查看我完成論文的進(jìn)度，檢查一下有沒有出錯(cuò)的地方，還時(shí)常督促我要踏踏實(shí)實(shí)的完成論文的每一部分。王老師教會(huì)了我很多專業(yè)方面的知識(shí)，使我對(duì)集成電路有了更加深入的了解，也產(chǎn)生了更加濃厚的學(xué)習(xí)興趣?！熬珟熞椎?，仁師難求”，很榮幸得到王超老師的栽培與教誨。

感謝同學(xué)們對(duì)我學(xué)習(xí)和生活的關(guān)心與幫助，感謝我的家人在大學(xué)期間給我的關(guān)心和鼓勵(lì)，給了我繼續(xù)學(xué)習(xí)深造的機(jī)會(huì)，才能讓我有了今天的進(jìn)步。

正因?yàn)橛辛紟熞嬗训年P(guān)心和幫助，才使我更加優(yōu)秀，在此向你們表示崇高的敬意和深深的感謝！祝愿你們幸?？鞓?，明天更美好！

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