『?不患無位，患所以立；不患莫己知，求為可知也?！?br>

——《論語?·?里仁篇》

[解釋]?不要擔(dān)心沒有職位，只要擔(dān)心有沒有足以勝任職務(wù)的本領(lǐng)。不擔(dān)心沒人知道自己，應(yīng)該追求能使別人知道自己的本領(lǐng)。

本文將以一個(gè)典型的二級(jí)運(yùn)算放大器電路作為實(shí)例，介紹如何開展電路設(shè)計(jì)，并使用EDA工具開展模擬集成電路的設(shè)計(jì)、分析以及驗(yàn)證的方法，可以作為“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程的設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目的。同時(shí)，也可以作為模擬集成電路設(shè)計(jì)的一般范例，供相關(guān)領(lǐng)域的工程師參考。

作者簡(jiǎn)介

王永生??1974年7月出生，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，獲得微電子學(xué)與固體電子學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院副教授。長(zhǎng)期從事數(shù)/?；旌闲盘?hào)集成電路、系統(tǒng)芯片及其可測(cè)試性、可靠性設(shè)計(jì)的教學(xué)及科研工作。先后主持和參與了10余項(xiàng)國(guó)家級(jí)與省部級(jí)科研項(xiàng)目；開發(fā)了多款高速及高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片以及混合信號(hào)SoC芯片。申請(qǐng)并獲得授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)、混合信號(hào)SoC設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

教學(xué)背景

“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程是電子信息類、電子科學(xué)與技術(shù)及微電子核心專業(yè)課程。課程以CMOS模擬集成電路作為主導(dǎo)來進(jìn)行模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)的討論，介紹基本的結(jié)構(gòu)和原理。從直觀和嚴(yán)密的角度闡述各種模擬電路的基本原理和概念，同時(shí)側(cè)重模擬集成電路設(shè)計(jì)遇到的實(shí)際問題的解決。由淺入深、理論與實(shí)際結(jié)合分析模擬集成電路中的設(shè)計(jì)實(shí)例。

01課程主要目標(biāo)

掌握模擬集成電路中的電路基本結(jié)構(gòu)、電路基本原理和概念；

掌握模擬集成電路設(shè)計(jì)遇到的實(shí)際問題的分析解決方法，能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際結(jié)合進(jìn)行分析，掌握模擬集成電路的設(shè)計(jì)方法；

掌握分析設(shè)計(jì)模擬集成電路需要的EDA工具，掌握模擬集成電路的基本適應(yīng)技能和仿真方法。

02集成電路設(shè)計(jì)

集成電路設(shè)計(jì)需要考慮諸如因素，例如速度、功耗、芯片面積花費(fèi)等等。對(duì)于模擬集成電路，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的性能指標(biāo)更多，需要進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證。并且借助EDA工具，在集成電路制造之前，進(jìn)行詳細(xì)的仿真、分析和驗(yàn)證。模擬集成電路中最典型也是最重要的電路模塊就是放大器。

本文將以一個(gè)典型的二級(jí)運(yùn)算放大器電路作為實(shí)例，此設(shè)計(jì)實(shí)例的主要內(nèi)容包括：

（1）開展初步的手工設(shè)計(jì)，根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定滿足指標(biāo)的運(yùn)算放大器各元件的尺寸和所需要的偏置電流的大小。

（2）采用典型工藝角模型，開展此運(yùn)算放大器的基本仿真，調(diào)整和優(yōu)化電路。

（3）進(jìn)行運(yùn)算放大器的電路仿真（采用典型工藝角模型，27°），確定運(yùn)放的最終性能參數(shù)，包括：a)開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng)；b)輸入共模范圍；c)輸出電壓擺幅；d)壓擺率；e)噪聲；f)功耗。

二級(jí)運(yùn)算放大器電路

圖1中所示的放大器是常見的一種二級(jí)運(yùn)算放大器，見《CMOS模擬集成電路基礎(chǔ)》第10章以及第11章，由一個(gè)電流鏡做負(fù)載的差分級(jí)和一個(gè)共源極結(jié)構(gòu)的增益級(jí)構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)CL負(fù)載電容。在這個(gè)放大器中，NMOS晶體管M0、M5和M7用來形成偏置電流源。NMOS晶體管M1、M2以及PMOS晶體管M3和M4構(gòu)成差分級(jí)。PMOS晶體管M6和NMOS晶體管M7構(gòu)成電流源做負(fù)載的共源極放大器。通過引入密勒電容Cx來進(jìn)行頻率補(bǔ)償。

圖1?二級(jí)運(yùn)算放大器實(shí)例

CMOS放大器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在一些約束條件下按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求確定電路結(jié)構(gòu)以及電路參數(shù)以便放大器獲得相應(yīng)的功能和性能。模擬集成電路電路的設(shè)計(jì)需要涉及很多方面的內(nèi)容，諸如采用的工藝、功耗、速度、增益、帶寬、輸入信號(hào)范圍、輸出擺幅等等，因此這里把需要考慮的設(shè)計(jì)內(nèi)容歸為這幾個(gè)方面來開展CMOS放大器的IC設(shè)計(jì)：約束條件；設(shè)計(jì)描述；關(guān)系表達(dá)式。此CMOS二級(jí)運(yùn)算放大器典型的設(shè)計(jì)內(nèi)容可以歸納為以下方面：

（1）約束條件：采用的工藝；電源電壓；工作溫度。

（2）設(shè)計(jì)描述：驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電容；小信號(hào)增益；增益帶寬積；相位裕度；輸入共模范圍；輸出擺幅；轉(zhuǎn)換速率；功耗。

在設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮電路性能與電路參數(shù)之間的關(guān)系。這里需要整理出和放大器小信號(hào)增益、增益帶寬積、相位裕度、輸入共模范圍、輸出擺幅、轉(zhuǎn)換速率、功耗等設(shè)計(jì)描述相關(guān)的關(guān)系表達(dá)式。

對(duì)于圖1的二級(jí)運(yùn)算放大器，二級(jí)運(yùn)放總的低頻電壓增益為

圖1的二級(jí)運(yùn)算放大器采用一個(gè)跨接在第二級(jí)放大器輸入輸出的密勒電容進(jìn)行頻率補(bǔ)償，則其增益帶寬積GBW、第二極點(diǎn)頻率以及密勒電容零點(diǎn)頻率分別近似為

假設(shè)補(bǔ)償后的相位裕度的目標(biāo)是PM≥60°總體設(shè)計(jì)考慮，保證wz≥10wu，其中wu=2πfu為單位增益帶寬，可以近似認(rèn)為wu≈GBW，即wz≥10GBW，這樣可以推導(dǎo)出GBW和第二極點(diǎn)頻率的關(guān)系wp2≈2.2GBW，以及可以進(jìn)一步得到，密勒補(bǔ)償電容與負(fù)載電容之間的關(guān)系Cx≈0.22CL。

采用如圖1的密勒補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)算放大器在發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，其轉(zhuǎn)換速率為

此二級(jí)運(yùn)算放大器輸入共模范圍ICMR由第一級(jí)電流鏡做負(fù)載的差分對(duì)決定，

其中VOD?=VGS?– VTH是工作在飽和區(qū)的MOS晶體管的過驅(qū)動(dòng)電壓，MOS晶體管工作在飽和區(qū)的漏極電流為

運(yùn)算放大器的輸出擺幅由第二級(jí)的共源極放大器決定，輸出擺幅的上限為電源電壓減去一個(gè)M6的過驅(qū)動(dòng)電壓值，輸出擺幅的下限為地電壓加上一個(gè)M7的過驅(qū)動(dòng)電壓值。此外設(shè)計(jì)放大器還需要考慮功耗的限制，即

圖1放大器的第一級(jí)差分對(duì)采用電流鏡做負(fù)載，因而在電流鏡處（M3和M4）具有一對(duì)鏡像零極點(diǎn)對(duì)，為了使其不影響頻率特性以及穩(wěn)定性，需要驗(yàn)證鏡像極點(diǎn)對(duì)頻率是否大于10GBW，鏡像極點(diǎn)處的電容近似為Cgs3+Cgs4，此極點(diǎn)頻率為

以上給出了設(shè)計(jì)這個(gè)密勒電容補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)算放大器需要的主要關(guān)系表達(dá)式，詳細(xì)的電路原理分析與討論參見文獻(xiàn)《CMOS模擬集成電路基礎(chǔ)》第11章中密勒電容進(jìn)行補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)算放大器電路。利用這主要關(guān)系表達(dá)式就可以開展初步的手工計(jì)算。同時(shí)在仿真分析以及設(shè)計(jì)優(yōu)化中根據(jù)這個(gè)主要的關(guān)系來改進(jìn)電路的性能，以便最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。這里，手工計(jì)算過程采用類似于《CMOS模擬集成電路基礎(chǔ)》例11.7的例子，考慮采用一種具體的CMOS工藝進(jìn)行此二級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)描述：考慮一個(gè)圖1的設(shè)計(jì)實(shí)例，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電容CL= 1pF。滿足如下要求：Avo>3000V/V，增益帶寬積GBW≥50MHz，SR>80V/μs ，相位裕度PM超過45°（最好達(dá)到60°），輸入共模范圍（ICMR）至少為（下限1.5V，上限VDD–0.5V），輸出擺幅范圍至少為（下限0.5V，上限VDD–0.5V），Pdiss≤2mW（不包括電流基準(zhǔn)電路部分的電流）。

設(shè)計(jì)約束：工藝為一個(gè)0.13μm CMOS混合信號(hào)工藝，采用其中的3.3V器件進(jìn)行運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)；電源電壓VDD=3.3V；工作溫度為27℃。

首先開展初步的電路設(shè)計(jì)部分的初始計(jì)算工作，為了能夠開展這部分手工工作，需要知道關(guān)系表達(dá)式中諸如VTHN、Kn 、λn、VTHP、Kp、λp等參數(shù)值，《CMOS模擬集成電路基礎(chǔ)》例11.7中已經(jīng)給出這些參數(shù)值。然而，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程中存在一個(gè)問題，工藝廠家提供CMOS工藝的MOS器件的模型參數(shù)大多采用BSIM模型，而關(guān)系表達(dá)式對(duì)應(yīng)的是最基本的MOS1模型，其中Kn 、λn、Kp、λp等很多變量參數(shù)無法從BSIM模型直接獲得。為了解決這個(gè)問題，可以采用電路仿真的方法來獲得近似的可以用于手工計(jì)算的這些參數(shù)值。將NMOS或者PMOS器件處于飽和區(qū)，使用電路仿真中的工作點(diǎn)（OP）分析功能，獲得處于飽和區(qū)的NMOS或者PMOS器件的gm、ro等參數(shù)值，然后根據(jù)gm和ro的表達(dá)式

得到諸如Kn、λn、Kp、λp等參數(shù)估算值。而VTHN和VTHP采用BSIM模型中VTHO進(jìn)行估算。通過這種方法，得到此工藝廠家提供CMOS工藝的MOS器件的參數(shù)估算值為：

(1)NMOS的參數(shù)為VTHN = 0.7V，Kn = 150μA/V2，λn = 0.03 V –1（L=1μm時(shí)）；

(2)PMOS的參數(shù)為VTHP = – 0.7V，Kp = 40μA/V2，λp = 0.04 V –1（L=1μm時(shí)）；

(3)根據(jù)模型中tox=7.3nm參數(shù)來估算Cox?= εox/tox = 4.72 fF/μm2，柵源電容按Cgs=0.67WLCox計(jì)算。

電路設(shè)計(jì)的解決方案不是唯一的，并沒有標(biāo)準(zhǔn)答案。而且計(jì)算值都是上限值或者下限值，數(shù)值的舍入的處理也不一樣，任何合理的計(jì)算都是一種解決方案。下面對(duì)關(guān)鍵步驟給出參考的設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算。

在進(jìn)行電路參數(shù)計(jì)算前，首先應(yīng)保證圖1中二級(jí)運(yùn)算放大器具有正確的電路偏置，以便保證所有晶體管處于飽和區(qū)中?？梢赃x取這樣的偏置方案：保證良好的電流鏡關(guān)系，有VSG4=VSG6，則

則有

運(yùn)算放大器中各個(gè)MOS晶體管都應(yīng)處于其飽和區(qū)，有三個(gè)基本的設(shè)計(jì)參量需要確定：偏置漏極電流ID、器件尺寸W/L以及過驅(qū)動(dòng)電壓VOD?=VGS?– VTH。這些參量決定了電路的基本性能。下面開展圖1中運(yùn)算放大器電路參數(shù)的計(jì)算。

（1）此二級(jí)運(yùn)算放大器采用密勒電容補(bǔ)償，并且考慮到密勒電容引入零點(diǎn)的影響，按照PM＝60°進(jìn)行設(shè)計(jì)，求密勒補(bǔ)償電容Cx（假定wz≥10GBW），有

可得Cx≥0.22pF，留出余量，取Cx=0.3pF。

（2）由已知的Cx并根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的要求選擇ISS（I5）的范圍，有

取I5=30μA，留有余量。

（3）由計(jì)算得到的電流偏置值，設(shè)計(jì)W3/L3（W4/L4）滿足上ICMR要求，有

則有

得到

取(W/L)3,4=3。

（4）圖1的放大器具有一個(gè)鏡像極點(diǎn)，驗(yàn)證M3處鏡像極點(diǎn)是否大于10GBW，鏡像極點(diǎn)處的電容近似為Cgs3+Cgs4，此極點(diǎn)頻率為

其中柵長(zhǎng)L=1μm，此鏡像極點(diǎn)頻率值為503.3MHz，剛好大于10GBW = 10×50MHz = 500MHz。

（5）設(shè)計(jì)W1/L1（ W2/L2?）滿足GBW的要求

得到

取(W/L)1,2=2。

（6）設(shè)計(jì)W5/L5滿足下ICMR（或輸出擺幅）要求

得到

選擇VOD5=0.5V，再根據(jù)

得到

取(W/L)5=3，選擇更大W/L，則實(shí)際的VOD5可以更小。為了可以獲得更好的輸入共模范圍，并且考慮M1和M2還存在襯偏效應(yīng)，這里留出一定的余量。

（7）根據(jù)PM＝60deg的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，wz≥10GBW，即gm6/Cx≥10gm1/Cx，有

?按臨近值計(jì)算，并且根據(jù)偏置條件VSG4=VSG6計(jì)算得到M6的尺寸，得到

而

得到(W/L)6≈16×3=48。

（8）根據(jù)偏置條件VSG4=VSG6，且處于飽和區(qū)，I6=I4×(W/L)6/(W/L)4，或根據(jù)計(jì)算I6 ，得到I6=240μA。并驗(yàn)證Vout,max是否滿足要求

（9）計(jì)算M7的尺寸，并驗(yàn)證Vout,min是否滿足要求。M7的尺寸為

滿足要求。

（10）驗(yàn)證增益和功耗

滿足要求。

功耗

滿足要求。

（11）若增益不滿要求，可以采取降低I5和I6或提高M(jìn)1/M2、M6尺寸等措施，當(dāng)然這會(huì)影響其他性能，需要重復(fù)以上步驟進(jìn)行驗(yàn)證。