两级运算放大器电路版图设计的全过程，涵盖从原理图设计到最终仿真的各个环节。设计采用了Cadence 618软件和TSMC 18nm工艺，旨在实现低频增益87dB、相位裕度80°、单位增益带宽积GBW 30MHz等性能指标。文中不仅阐述了电路的工作原理和设计推导，还包括具体的版图规划、绘制方法及其验证步骤。最终，该设计成功通过DRC和LVS验证，形成了面积为80μm×100μm的完整版图，并附有详尽的30页PDF文档记录整个设计流程。 适用人群：从事模拟集成电路设计的专业人士，尤其是对两级运算放大器设计感兴趣的工程师和技术研究人员。 使用场景及目标：适用于希望深入了解两级运算放大器设计原理及其实现过程的学习者；也可作为实际项目开发时的技术参考资料，帮助解决具体的设计难题。 其他说明：提供的包安装文件便于用户快速部署设计方案，加速产品化进程。

缩放输入电压并非总像第一次那么容易（或复杂）。在本文中，我将介绍如何在最近的需将+/- 10 V信号缩小到0到2.5 V范围信号链设计中解决这个挑战，以匹配所有其他信号到模数转换器（ADC）。达到此目标的传递函数呈线性：VOUT = VIN / 8 + 1.25V。

在分析运放电路工作原理时，首先请各位暂时忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、减法器，什么差动输入……暂时忘掉那些输入输出关系的公式……这些东东只会干扰你，让你更糊涂﹔也请各位暂时不要理会输入偏置电流、共模抑制比、失调电压等电路参数，这是设计者要考虑的事情。我们理解的就是理想放大器（其实在维修中和大多数设计过程中，把实际放大器当做理想放大器来分析也不会有问题）。 ### 运算放大器11种经典电路解析 运算放大器作为模拟电路的重要组成部分，在电子技术领域占据着举足轻重的地位。对于初学者来说，掌握运算放大器的基本原理及其应用至关重要。本文将通过深入浅出的方式，详细介绍运算放大器的两种基本分析方法：“虚短”和“虚断”，并结合具体的电路实例进行解析。 #### 虚短与虚断概念 - **虚短**：由于运算放大器具有非常高的开环增益（通常大于80dB），即使是非常小的差模输入信号（例如小于1mV），也能得到较大的输出变化。因此，在分析处于线性工作状态下的运算放大器时，可以认为两个输入端之间的电压差几乎为零，即所谓的“虚短”。 - **虚断**：由于运算放大器的输入电阻非常高（通常大于1MΩ），流入输入端的电流非常小，可以近似认为没有电流流入或流出输入端，即所谓的“虚断”。 接下来，我们将通过几个典型的运算放大器电路来具体展示如何运用“虚短”和“虚断”的概念。 ### 经典电路实例解析 #### 反向放大器 在反向放大器中，输入信号通过电阻\( R_1 \)连接到运算放大器的反相输入端，而同相输入端接地。根据“虚短”原则，反相输入端的电压\( V_- \)近似等于同相输入端的电压\( V_+ = 0V \)。再根据“虚断”原则，没有电流流入或流出反相输入端，这意味着流过\( R_1 \)的电流与流过反馈电阻\( R_2 \)的电流相等。通过简单的数学推导，可以得到输出电压\( V_{out} \)与输入电压\( V_i \)之间的关系： \[ V_{out} = -\frac{R_2}{R_1}V_i \] #### 同向放大器 同向放大器中，输入信号直接连接到同相输入端，而反相输入端通过电阻接地。利用“虚短”原理，可以得知同相输入端的电压等于反相输入端的电压。根据“虚断”原理，没有电流进入反相输入端，这意味着流经\( R_1 \)和\( R_2 \)的电流相等。通过进一步的数学推导，可以得到输出电压\( V_{out} \)与输入电压\( V_i \)之间的关系： \[ V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)V_i \] #### 加法器 加法器用于将多个输入信号相加以产生输出信号。考虑一个简单的加法器电路，其中两个输入信号\( V_1 \)和\( V_2 \)分别通过电阻\( R_1 \)和\( R_2 \)连接到运算放大器的反相输入端。根据“虚短”和“虚断”的原则，可以通过以下步骤推导出输出电压\( V_{out} \)与输入电压\( V_1 \)和\( V_2 \)之间的关系： \[ V_{out} = -\left(\frac{R_3}{R_1}V_1 + \frac{R_3}{R_2}V_2\right) \] 如果\( R_1 = R_2 = R_3 \)，则简化为： \[ V_{out} = V_1 + V_2 \] ### 总结 通过上述几个经典电路的例子可以看出，“虚短”和“虚断”的概念是分析运算放大器电路的基础。掌握了这两个原则，就可以灵活地分析和设计各种复杂的运算放大器电路。此外，通过对不同类型的运算放大器电路进行分析，不仅能够加深对基本原理的理解，还能够在实际应用中更加游刃有余。希望本文能够帮助读者更好地理解和掌握运算放大器的相关知识。

运算放大器（Op-Amp）在电路设计中广泛使用，其基本功能是放大信号并保持稳定。然而，有时候运算放大器会出现振荡现象，这通常是由于闭环反馈系统中的不稳定因素导致的。本文将深入探讨运算放大器发生振荡的原因。 我们需要了解运算放大器的工作原理。一个理想的运算放大器具有无限增益、无限输入阻抗和零输出阻抗。在负反馈配置中，运算放大器的输出与反相输入端或非反相输入端之间形成一个闭合回路，以稳定输出并调整增益。然而，现实中的运算放大器并非理想，存在输出延迟和非零输出阻抗，这可能导致振荡。 当反馈信号从输出端经过一个R-C网络（电阻-电容网络）返回到反相输入端时，会引入相位延迟。这个R-C网络可以是由负载电容（如图2a所示）或者运算放大器输入电容与反馈电阻组成的网络（如图2b所示）。R-C网络的相移特性会导致信号在通过网络时延迟，特别是在高频下，这种延迟会显著增加。 延迟问题的关键在于，当反馈信号到达反相输入端时，运算放大器不能立即检测到输出是否已经达到了所需的电压。由于延迟的存在，放大器可能会过快地调整其输出，造成过冲和振铃现象。如果延迟足够大，这种过冲和振铃将无法消除，形成自激振荡。 在图2a中，运算放大器的输出电阻与负载电容形成一个低通滤波器，导致相位延迟。而在图2b中，反馈电阻与运算放大器的输入电容组合同样形成了R-C网络，导致相位延迟。这两种情况都可能导致运算放大器的不稳定性，因为它们改变了反馈环路的相位特性。 反馈路径中的延迟或相移对运算放大器的稳定性至关重要。当延迟导致的相位移超过180度时，环路增益将变为负，使系统变得不稳定，引发振荡。Bode图是分析这种稳定性的有力工具，它展示了频率响应和相位移随频率的变化，帮助我们理解何时环路可能会失去稳定性。 为了解决这些问题，设计师需要考虑以下几个方面： 1. 减少或补偿R-C网络造成的相位延迟，例如使用补偿电容或调整电路布局以减少寄生电容。 2. 调整反馈增益，确保在所有工作频率内环路增益保持正，并避免相位穿越180度。 3. 使用稳定性的分析方法，如Nyquist稳定性判据或根轨迹法，预测并防止振荡。 4. 对于存在较大延迟的系统，考虑采用补偿技术，如负反馈补偿或频率补偿，来稳定系统。 运算放大器发生振荡的主要原因是闭环反馈系统中的延迟和相位移。理解和分析这些因素，以及如何通过调整电路参数和设计来避免振荡，是成功构建稳定、高性能的运算放大器电路的关键。通过深入研究Bode图和其他稳定性分析工具，工程师可以更好地诊断和解决这类问题，确保运算放大器在各种应用中都能保持稳定运行。

运算放大器，简称运放，是电子工程领域中不可或缺的基础元件，广泛应用于信号处理、滤波、放大、比较等各类电路设计。本指南将深入探讨运放的原理、种类、特性以及如何在单电源环境下有效地使用运放。 一、运算放大器基本原理 运算放大器是一种高增益、低输入阻抗、高输出阻抗的线性集成电路。它由多个晶体管和电阻组成，设计成可以提供极高的电压增益，通常在数十万到数百万之间。运放工作时，其两个输入端——同相输入端（+）和反相输入端（-）之间的电压差被放大，并通过输出端输出。理想情况下，运放具有无限增益、零输入偏置电流、零输出电阻和无限带宽等特性。 二、运放的工作模式 1. 非反相配置：运放的输出与反相输入端之间连接一个电阻，形成一个非反相放大器。在这种配置下，输入信号加在同相输入端，输出信号与输入信号同相位，增益等于两输入端之间电阻的比例。 2. 反相配置：输入信号加在反相输入端，输出信号与输入信号反相位，增益可以通过调整反相输入端与地之间的电阻和反馈电阻的比例来改变。 3. 差分输入配置：当运放的两个输入端同时接受不同幅度的信号时，输出与这两个信号的差值成比例，常用于抑制共模干扰。 三、单电源使用运放的挑战与解决方案 在单电源环境下，运放面临的挑战主要是无法实现负电压输出，这限制了其动态范围。以下是一些应对策略： 1. 使用虚拟地：通过内部或外部电阻分压，将反相输入端接地，创建一个“虚拟地”，使得运放能在单电源下实现全摆幅输出。 2. 使用射极跟随器：射极跟随器可提高负载能力，同时保持输入阻抗，允许运放在单电源下更稳定地工作。 3. 借助比较器：结合比较器，运放可以输出数字信号，从而扩展其应用范围。 4. 引入负反馈：通过负反馈电路，可以改善运放的线性度和稳定性，即使在单电源下也能实现良好的性能。 四、运放的选择与应用 不同的运放有不同的性能参数，如增益带宽积、输入失调电压、电源抑制比等，选择时应根据具体应用需求进行。例如，高速应用可能需要高增益带宽积的运放，而低噪声应用则关注输入噪声和失调电压。 运放广泛应用于信号调理电路，如滤波器（低通、高通、带通、带阻滤波）、电压跟随器、比较器、积分器、微分器等。它们在音频设备、仪器仪表、通信系统、自动控制等领域都有广泛应用。 总结，运算放大器是电子工程中的核心组件，理解和熟练掌握运放的使用方法对于任何电子工程师来说都至关重要。在单电源环境下，通过巧妙的电路设计和参数选择，运放仍能展现出强大的功能和灵活性。本指南旨在帮助读者更好地理解和应用运算放大器，为实际工程问题提供解决方案。

内容概要：本文详细介绍了基于TSMC 18nm工艺的两级运算放大器设计流程，涵盖从设计目标确定、原理图设计与仿真、版图设计到最终性能优化的全过程。文中明确了设计目标，包括低频增益87dB、相位裕度80度、单位增益带宽积30MHz以及压摆率116V/us。通过Cadence电路设计工具进行原理图设计并进行仿真验证，确保电路性能符合预期。随后进行版图设计，确保版图通过DRC和LVS验证，并不断优化电路性能直至达到设计目标。最后总结了设计经验和对未来发展的展望。 适合人群：从事模拟集成电路设计的专业人士，尤其是熟悉Cadence工具和TSMC工艺的工程师。 使用场景及目标：适用于希望深入了解两级运算放大器设计流程及其优化方法的技术人员，旨在提升电路设计技能和解决实际工程问题。 其他说明：本文不仅提供了具体的设计步骤和技术细节，还分享了许多宝贵的实践经验，有助于读者在未来的设计工作中借鉴和应用。

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运算放大器的设计毕业论文 运算放大器（简称运放）是具有很高放大倍数的电路单元，在实际电路中通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。运算放大器是许多混合信号系统和模拟系统中的一个组成部分。 运算放大器的设计是模拟集成电路版图设计的典型。需要确定设计目标，根据目标的需求，以及需要使用的电路工艺，决定具体的电路要求。这些要求包括：增益、电源电压、功耗、带宽、电路面积、噪声、失真、输入输等。 设计方法采用全制定模拟集成电路设计方法，严格根据模拟集成电路的正向设计流程，采用 smic180nm 工艺设计规则，全部设计过程在 Cadence 的设计平台上完成。设计过程可以分为俩大部分：前端设计和后端设计。前端设计包括设计电路、输入原理图和仿真电路；后端设计包括版图设计和版图验证。 在前端设计中，需要对电路结构和输入原理图进行设计，然后将原理图输入到设计环境中，并对其进行电路仿真。电路仿真包括瞬态分析、直流分析、交流分析等。在仿真结果完全符合设计要求后，就可以将电路提供给后端设计。 在后端设计中，需要对版图进行设计和验证。版图设计包括版图绘制和版图验证。版图验证包括版图与电路原理图的对比验证（LVS：Layout Versus Schematic）、电气规则的检查（ERC：Electrical Rule Check）、设计规则的验证（DRC：Design Rule Check）。DRC 验证是对电路的一些布局进行几何空间的验证，从而保证厂家在工艺技术方面可以实现线路的连接。ERC 验证用来检查电气连接中的错误，像电源和地是否短路、器件是否悬空等等。 在设计的规则检查中包括了 ERC 检查的规则，一般来说只需要 LVS 和后仿真能够通过，ERC 都不会有问题，所以 ERC 验证不经常出现，而厂家也就不会提供出 ERC 的规则文件。LVS 验证是把电路图与版图作一个拓扑关系的对比，从而检查出在布局前后元件值、衬底的类型是否相符，电路连接的方式是否保持一致。 版图中的一些寄生元件将对集成电路的某些性能产生严重的影响。因此必须要对从版图中提取出来的网表（其中包含着寄生元件）进行仿真，此过程称为后仿真。最后的模拟验证是将包含有寄生效应的整个电路加进输入信号。 通过了电气规则的检查，设计规则的检查，电路抽取的验证和后仿真，就可以提交各芯片厂家试流片了。在严格按照设计程序进行电路仿真并通过版图验证和后仿真之后，投片是否成功，关键是看芯片制造厂了。 本论文主要分析 CMOS 集成运算放大器各个部分的主要原理；完成对 CMOS 运放的设计，用 Spectre 进行仿真模拟，从模拟的结果中推导出各个参数和其决定因素之间的关系，从而确定出符合设计指标所的版图几何尺寸以及工艺参数，建立出从性能指标到版图设计的优化路径。 运算放大器的设计需要考虑到许多参数，包括增益、电源电压、功耗、带宽、电路面积、噪声、失真、输入输等，需要从设计目标到版图设计的优化路径，严格按照设计程序进行电路仿真并通过版图验证和后仿真。