二階多功能電流模式濾波器的設計

摘要IV二階多功能電流模式濾波器的設計摘要隨著集成電路的快速發(fā)展，大功率電子器件的出現(xiàn)，為了解決諧波干擾的阻礙，濾波器是不可或缺的器件，對集成電路產品的性能有著很大的影響。可以說凡有電子產品的地方必有濾波器產品。本次研究針對電流傳輸器展開展開多維度、深層次的研究和分析，在此基礎上設計新型電流傳輸電路，該電路的特點是基于緩沖器和放大器的基礎上成型的傳輸設備，和傳統(tǒng)電路相比，該電路本身的優(yōu)勢在于能耗低、電壓低、傳輸精確度高等優(yōu)勢，最后以多輸出第二代二階電流模式濾波器電路通常由CCCII電路和電流傳輸器組成，和其他電路不同的是，該電路具備高通、帶阻、低通、帶通等適配性較高的功能。通過分析與仿真，所設計的電路在常溫下，加入3.3V電源電壓，從100KHz-100MHz可以實現(xiàn)通過的頻率低于1.21赫茲，并將通過其中的信號因干擾而減弱的濾波降到最低；當信號高于截止頻率正常通過時，低于截止頻率的信號將會被降到最低；為特定區(qū)間內的信號通過時得以降到最低，從而實現(xiàn)大多數信號都能在較為合理的范圍中通過，此外，將7.42KHz-4.66MHz區(qū)間內的信號最大限度減弱的帶阻濾波，中心角頻率為1.83MHz，通過改變電流源的數值可以調節(jié)濾波器的增益，從仿真可以驗證電路可以實現(xiàn)所需求功能。本次研究是基于Cadence環(huán)境下開展的，采用的工藝器件以0.35μmCMOS為主，以此作為搭建電路和仿真的主要軟硬件設備，設計可以在常溫、3.3V電源電壓下工作，所設計的整體版圖面積為29912.0307。關鍵詞：濾波器，電流傳輸器，低通濾波，高通濾波，帶通濾波，帶阻濾波AbstractDesignandImplementationofSecondOrderMultifunctionalCurrentModeFilterBasedonCMOSAbstractWiththerapiddevelopmentofintegratedcircuitsandtheemergenceofhigh-powerelectronicdevices,inordertosolvetheobstructionofharmonicinterference,filterisanindispensabledevice,whichhasagreatimpactontheperformanceofintegratedcircuitproducts.Itcanbesaidthatwherethereareelectronicproducts,theremustbefilterproducts.Inthispaper,thestructureofcurrenttransmitterisanalyzed,andasecondgenerationcurrenttransmittercircuit(CCCII)basedonoperationalamplifierandbufferisdesigned.Comparedwiththepreviouscircuit,thiscircuithastheadvantagesoflowvoltage,lowpowerconsumption,smalltransmissionerrorofvoltageandcurrent,highbandwidthandadjustableharmonicfiltergain,Finally,asecond-ordermultifunctionalcurrentmodefiltercircuitiscomposedofmultioutputsecond-generationcurrenttransmitter(MOCCCII)andCCCIIcircuit.Thecircuitcanrealizefourfilterfunctionsoflow-pass,highpass,band-passandbandstopatthesametime.Throughanalysisandsimulation,thedesignedcircuitcanpassthesignalbelowthecut-offfrequency(1.21MHz)from100kHzto100MHzbyadding3.3Vpowersupplyvoltageatroomtemperature,andthesignalabovethecut-offfrequencycanbeattenuatedtoverylow-passfiltering;Thesignalabovethecut-offfrequency(1.21MHz)passesthrough,andthesignalbelowthecut-offfrequencyattenuatestoaverylowhighpassfilter;Letthesignalintherangeof7.42KHz-4.66MHzattenuatetoverylowband-passfilteringthroughsignalsinotherranges;Letmostofthesignalspassthrough.Thesignalintherangeof7.42KHz-4.66MHzattenuatestoaverylowbandstopfilter,andthecenterangularfrequencyis1.83MHz.Thegainofthefiltercanbeadjustedbychangingthevalueofthecurrentsource.Itcanbeverifiedfromthesimulationthatthecircuitcanrealizetherequiredfunction.Thisdesigniscompletedincadenceenvironment,basedon0.35μmCMOSprocessdevicelibrary,completedtheconstructionandSimulationofthecircuit,thedesigncanworkatroomtemperatureand3.3Vpowersupplyvoltage,andtheoveralllayoutareais29912.0307.Keywords:Filter,Currenttransmitter,Lowpassfilter,Highpassfilter,Bandpassfilter,Bandstopfilter大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）目錄目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題研究的背景與意義 11.2課題研究的內容與方法 11.3課題研究現(xiàn)狀 2第2章關鍵技術介紹 32.1電流模式電路 32.2濾波器 42.2.1電流模式濾波器特點 52.2.2電流模式濾波器分類 52.3電流傳輸器 62.3.1第一代電流傳輸器（CCI） 62.3.2第二代電流傳輸器（CCII） 62.3.3電流控制電流傳輸器（CCCII） 72.4電流鏡 82.5運算放大器 82.6電壓跟隨器 92.7反饋電路 10第3章電路整體設計 113.1二階多功能電流模式濾波器 113.2CMOSCCCII電路 123.3CMOSMOCCCII電路 133.4設計工具 133.4.1Virtuoso軟件 133.4.2Calibre軟件 14第4章電路的搭建與仿真 154.1總體電路搭建 154.2電路的各部分模塊 154.2.1CCCII電路 154.2.2MOCCCII電路 164.3電路的仿真 174.3.1低通濾波 174.3.2高通濾波 184.3.3帶通濾波 184.3.4帶阻濾波 194.4本章小結 19第5章版圖設計及驗證 215.1版圖的繪制 215.1.1MOCCCII模塊 215.1.2CCCII模塊 215.1.3匯總模塊 225.2版圖DRC和LVS驗證 225.2.1DRC驗證 225.2.2LVS驗證 245.3本章小結 26第6章結論 27參考文獻 28致謝 29大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）-第1章緒論課題研究的背景與意義伴隨著大功率電子器件的應用范圍不斷擴大，諧波干擾逐漸發(fā)展成為科研工作和工業(yè)生產中不可忽視的影響因素，濾波器由此產生，從未來的發(fā)展來看，濾波器的應用場景將不斷深化，其與電子產品的關聯(lián)性也會隨著應用場景增加不斷提升。一直以來，模擬電子電路設計長期的傳統(tǒng)觀念中，衡量信號變量的指標以電壓為主，電流往往被忽略，大部分人對于電路功能的判斷和使用主要體現(xiàn)在電壓信號的處理上，從而催生了不少電壓信號處理電路的出現(xiàn)。不過電壓信號處理電路同樣存在不小缺陷，尤其在高速和高頻的電壓環(huán)境下更為明顯。濾波器根據系統(tǒng)設定的方式將通過的信號以頻率為劃分，并選擇性地讓部分頻率的信號通過，它作為一門學科發(fā)展至今已有八十多年的歷史。在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛。濾波器的研究與發(fā)展經歷了無源分立元件、集成線性元件、混合集成電路和單片全集成電路。從上世紀60年代開始，材料工業(yè)和計算機計算開始有所起步，也為濾波器的誕生與發(fā)展奠定技術基礎，隨著數十年的發(fā)展，濾波器技術得以優(yōu)化和完善，其呈現(xiàn)更小、更快、更精準的發(fā)展趨勢。電流模式電路，就是能夠有成效地傳送、放大和處理電流信號的電路。電流模式濾波器由于具有高速、低功耗、動態(tài)范圍大、且與超大規(guī)模集成電路（VLSI，VeryLargeScaleIntegration）技術兼容的特點，引起了濾波器研究領域的極大關注。二階多功能電流模式濾波器不僅能夠有效通過各類頻率的信號，也能夠將不同輸出端的信號形成排列組合的形式，從而達到有效的帶阻濾波功能。在實際使用過程中，濾波器自身的品質因數和角頻率可實現(xiàn)獨立運行和調試，具備極強的靈活性和適應性，整體電路結構相對較為簡單，使用靈活。課題研究的內容與方法濾波器是使輸出端口所需要的頻率分量能夠順利通過，而抑制或削弱不需要的頻率分量，是模擬集成電路不可缺少的一部分。本次研究圍繞MOCCCII濾波器電路由若干個RC無源元件和有源器件的組合基礎上，能夠實現(xiàn)輸出與輸入信號形成特定比例，從而實現(xiàn)不同類型的濾波，同時該濾波器能夠實現(xiàn)固有頻率和品質因素的獨立運行和調試狀態(tài)。本課題主要設計了一種改進型的電流模式濾波器，電路具有設計簡單、靈敏度低和模塊優(yōu)化的特點，設計采用0.35μm工藝，利用Cadence軟件，最終電路能夠實現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻的功能，并根據所畫電路圖畫出版圖并進行驗證。課題研究現(xiàn)狀從上世紀40年代開始，運算放大器逐漸走進人們的視野，該技術主要建立在模擬電壓模式的基礎上展開的，從不同維度推動電路設計理論持續(xù)優(yōu)化和完善，并逐漸發(fā)展出大量的應用場景和電路設計。從誕生時間來看，最早的電流模式有緣元件問世時間比運算放大器提前20年，但在發(fā)展之初并不被關注，相對于電壓模式，電流模式電路的發(fā)展存在長期滯后的困境，針對電流模式電路的研究可通過電壓模式的轉換就能實現(xiàn)，并確保轉換過程中的相關函數不發(fā)生變動，就能實現(xiàn)電壓模式的電路設計與電流模式電路設計的匹配性，為其的優(yōu)化和應用奠定良好的基礎。為了能有效緩解和釋放電壓運放性能，針對電壓運放存在的缺點進行優(yōu)化和改進，電路模式電路設計逐漸受到行業(yè)專家的重視。如果用電流表示被處理信號的變化，電路可以理解為電流模式電路。從實踐來看，電流模式電路本身具備較高的輸出阻抗特點，此外，該電路模式可用于擴展，成為電流放大器的重要構成部分，能夠有效降低電路在運行過程中的損耗。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第2章關鍵技術介紹2.1電流模式電路所謂電流模式電路通常指的是用電流作為信號變量的代表，針對電流變量進行調整實現(xiàn)各類電動功能的實際需求，該電路模式的特征主要體現(xiàn)在以下幾方面：1.存在明顯差異的阻抗水平，兩種型號的本身不同在于阻抗水平的不同，在實踐過程中，選擇何種模式處理信號，很大程度上受到電路阻抗水平的影響。如果排除所有干擾因素，理想環(huán)境下的電壓放大器需要達到輸入阻抗的無窮大，同時確保輸出阻抗為0，這無疑對電壓信號傳輸提供便利的條件。在排除其他干擾因素的情況下，理想狀態(tài)下的電流信號放大器應當保證輸出阻抗無窮大，且輸入阻抗為0的條件，唯有如此，才能為電流信號傳輸提供良好的條件?；诖耍x擇電壓模式電路的重點要求其阻抗足夠高；相對來說，選擇電流模式電路的重點在于具有低阻抗的條件，同時通過電壓的擺幅較小。2.擁有較高的傳輸速度和比較寬的頻帶，通常情況下，對傳輸速度和傳輸頻帶的因素一般集中在晶體管極間電容運行狀態(tài)下產生的較低的阻抗水平時。從實際運行來看，這部分的阻抗節(jié)點普遍較低，此外，受到結電容整體阻抗節(jié)點不高的影響，該節(jié)點的阻容時間相對較小，就算此時經過的電流存在大幅度的改變的，對電壓變化的影響極小，因此結電容的過渡時間相對較短，達到電容快速充放電的效果，有效提升整體相應的效率?；诖耍旊娏髂Ｊ诫娏μ幱谳^大信號的運行條件下運行時，其做工效率遠高于電壓模式。不僅如此，受到電容處于低阻抗節(jié)點的影響，也會有效提升電容與節(jié)點阻抗較低，極大極點頻率，全面提高上限頻率，與結晶體的fT工作效率處于同一水平。3.電源功率小、電壓低，為了有效提升集成電路的整體密度，最大限度降低做工損耗，控制并降低電源電壓成為大勢所趨。通常情況下，將其降低到3.3V-1.5V的功率下即可。從電壓模式電路的角度出發(fā)，對其電源電壓的降低實際上是對最大電壓范圍設定限制。此外，降低電源電壓與高速傳輸的電壓模式電路實際需求不匹配。另外，電流放大器本身并不會將電壓擺幅和電壓增益納入考量范圍，因此其無法產生足夠大的電機電阻，所以在運行過程中對電源電壓的使用必要性并不大。不僅如此，該電路在輸出過程中通常與低阻抗的節(jié)點相連接，即便過程中的輸出電流擺幅增大，依然不會改變其壓降，基于此將電流模式電路運用在低電源電壓的條件下，能夠有效降低整個電路的功耗。4.非線性失真小，由于在電流模式電路中引入匹配技術，因此確保電流傳輸符合規(guī)定的前提下，應當保證電路的對稱性。確保電路和信號形成較高的匹配性，從而有效消除晶體管中的非線性效應，從而極大降低失真造成的影響。如今不少電流設備中，整體功能受到一致認可的器件是電流傳輸器，隨著相關技術的發(fā)展，該器件的應用深度和廣度不斷加強，多集中在阻抗變換器、濾波器等場景中。其主要特征在于，兼容性強、功能豐富、高頻性能好。新一代電流傳輸器在性能和功能上不斷升級。近些年廣泛應用的電流模式濾波器是基于MOCCII的基礎上發(fā)展起來的高效電流設備，該濾波器不但繼承了CCIl濾波器的所有優(yōu)勢，該設備在不斷優(yōu)化和改進中提升了整體兼容性，從而使得濾波器的電路更簡單、功耗更低、設計更方便。5.引入跨導線電路運算模式，有效精簡了運算流程，該模式的原理主要指的是，如果在電路中存在跨導線環(huán)路，其中的每個晶體管都產生相關聯(lián)系、相互制約的關聯(lián)性?；谶@種關聯(lián)性，可有效簡化計算的難度，該原理在非線性和線性電路中同樣適用。6.動態(tài)范圍大，該類型的電路的電路和動態(tài)范圍中的最大值與電流限額相匹配，在實際運行過程中，并不會受到電壓降低造成的影響。其晶體管的電流動態(tài)幅度相對較寬，此外，通常通過電流放大器的阻抗本就不高，因此其在運行階段基本很少受到電壓限制的影響，基于此，電流模式電路的動態(tài)范圍遠遠大于電壓模式電路。2.2濾波器濾波器是一種按規(guī)定方式讓某些頻率的信號通過，而阻止另一些頻率的信號通過的電路，它作為一門學科發(fā)展至今已有八十多年的歷史。在近代電信設備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器在多種場景中的得以應用。針對濾波器的研究從無到有，從追逐的無源分立元件逐步發(fā)展到單盤全集集成電路，該過程歷經多個電路元件的發(fā)展和演變。隨著集成工藝、計算機計劃的發(fā)展和演變，為濾波器的發(fā)展奠定良好的基礎，同時為將濾波器推向更小、更快、更精準的發(fā)展高度。早期的無源RLC濾波器中的電感存在固有缺陷，如：損耗大、體積大、非線性、易引入干擾噪聲，因而迫使人們開始研究有源濾波器的實現(xiàn)方法。上世紀50年代中期，Linvill在研究中首次采用負阻抗變換器進行轉移，研制出全球首個有源濾波器。該濾波器是基于有源濾波器的基礎上發(fā)展和演變，并在改進過程中擯棄電感器的束縛，此類濾波器整體體積更小，同時能夠達到1000的Q值。七十年代發(fā)展起來的混合集成電路技術把有源RC濾波器推向成熟，成為濾波器學科發(fā)展史上的重要里程碑。作為一種專門的作用于補償無功、有效限制諧波的電子裝置，有源電力濾波器主要通過改變諧波的頻率和大小進行調制和改變運行。所謂有源，指的是該設備通過電源的工作才能正常運行，該設備的應用有效緩解傳統(tǒng)濾波設備單只能通過固定補償的方式對諧波進行抑制的缺陷，真正實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償的實踐需求。2.2.1電流模式濾波器特點伴隨著集成電路領域的持續(xù)發(fā)展和演變，大型集成電路的應用場景不斷擴大，新一代電控電流傳輸器受到相關領域的廣泛關注，該設備的優(yōu)勢主要集中在以下幾個方面。1．該設備兼具了電流和電壓兩種模式的傳輸優(yōu)勢。2．該設備能夠實現(xiàn)較快速度的跟隨效果，同時能夠根據實際需求調整較大的動態(tài)范圍。3．該設備具備較寬的頻帶，能夠在多種高頻應用場景中發(fā)揮作用。4．該設備的電壓相對較低。電流控制傳輸器使濾波器可以電調諧。電控電流傳輸器的電調諧功能是由它的X端的內部寄生電阻實現(xiàn)的。如果基于CCII的電路包含外部電阻，并且串聯(lián)到CCII的X端，將會產生一個優(yōu)勢。2.2.2電流模式濾波器分類有源濾波的主要功能為針對部分符合設定要求的范圍的頻率正常通過，對設定范圍之外的信號進行有效弱化和抑制。該設備的應用場景主要集中在抵消干擾、關鍵數據傳輸、信息處理等方面，由于該設備需要運算放大器頻帶的匹配，因此更多時候應用于相對頻率較低的范圍中?？梢苑譃橐韵聨最?。低通濾波器并不會對低于截止頻率范圍的信號進行抑制作用，不過對于高于截止頻率的信號的抑制性較強。高通濾波器與之相反，并不會對高于截止頻率范圍的信號進行抑制作用，但是對低于截止頻率范圍的信號進行抑制的設備。該設備的主要特點通常應用于頻率響應和沖激響應的信號中。其中頻率響應通常的以函數來表示，一般而言它是以復變量j為自變量的復變函數，以H（j）表示。它的模H（）和幅角（）為角頻率的函數，分別是“幅頻響應”和“相頻響應”其產生激勵作用的根源信號在經過系統(tǒng)過程中呈現(xiàn)出相位和幅度之間的變化。由此來看，可以將頻率響應視為傅里葉變換的一種呈現(xiàn)。通常情況下，當線性無源系統(tǒng)可以用一個N階\t"/item/%E9%AB%98%E9%80%9A%E6%BB%A4%E6%B3%A2/_blank"線性微分方程表示時，頻率響應H（j）為一個有理分式，它的分子和分母分別與微分方程的右邊和左邊相對應。帶通濾波器可以理解為將特定范圍內的頻率進行分量處理，并在此基礎上將高于或低于該區(qū)間的頻率采取弱化處理的濾波器，其整體概念和帶阻濾波器存在異曲同工之處。對該設備的模擬可以通常以電阻-電感-電容電路(RLCcircuit)來展開。在特定條件下可見低通和高通濾波器進行組合。帶阻濾波器通常指的是對大部分頻率采取分量處理，針對部分高于或低于特定范圍內的頻率進行弱化處理的設備，其本身阻帶范圍很小，普遍具備較高的Q值。在實踐過程中，可將電壓分別輸入高通和低通濾波器中，將兩個輸出電壓相加，從而獲得帶阻濾波器，全通濾波器的特點在于不同經過的信號做任何弱化處理，此類濾波器本身與信號幅度之間的關聯(lián)性很小，其主要用于對特定相位進行彌補，在特殊情況下，也可用以對零極點進行調節(jié)，進而保證系統(tǒng)的運行的穩(wěn)定性2.3電流傳輸器電流傳輸器的功能極為強大，其和運算放大器的重要性一樣，該設備的主要任務在于將多種電子元器件形成組合狀態(tài)，形成多種類型的電路結構。該電路設備在精確度、轉換率、穩(wěn)定性方面呈現(xiàn)出良好的表現(xiàn)。2.3.1第一代電流傳輸器（CCI）上世紀60年代末期，Smith和Sedra在研究中認為電流傳輸器分別由三個元器件構成，其主要符號如下圖2.1所示，其中X和Y是輸入端，Z是輸出端。圖2.1第一代電流傳輸器符號電流傳輸器的作用在于：當電壓輸入Y端，相應的，其輸入X端的電壓也會保持一致。相反，有電流進入X端，其流入Y端的電流同樣保持一致，不僅如此，電流I將被傳輸至Z端，如此一倆，可將Z端視為能夠實現(xiàn)高輸出阻抗、電流控制系數為1的電流控制電流源。2.3.2第二代電流傳輸器（CCII）為了提升該設備兼容性和通用性，Smith和Sedra在隨后的70年代中持續(xù)優(yōu)化和改進CCI的性能，并以此為基礎提出新型CCI電流傳輸器，其符號如圖2.2所示。圖2.2第二代電流傳輸器符號通常情況下，設定CCII的Y端電流為0，X端電壓和Y端電壓的存在緊密關聯(lián)性，Z端電流與X端電流相適應。和CCI相比，CCII最大的特征在于其抵消了Y端口產生的電流。從中發(fā)現(xiàn)，Y端口的電壓阻抗無窮大；X作為電流輸入端，其與Y端的電壓呈現(xiàn)特定比例，所以可將X端的阻抗設為0；當X端輸入端口的電流傳輸至Z端時，該區(qū)域的輸出電流與X端存在緊密關聯(lián)性，與之相適應的是電流方向，通常采用CCII-或CCII+進行區(qū)分。由此看來，傳輸至Z端的電流可通過X端輸入，也可以由Y端輸入電壓。2.3.3電流控制電流傳輸器（CCCII）CCCII元件的源自CCII，隨著CCII于上世紀70年代被提出之后，其在模擬電路設計上得到廣泛應用，不過由于X端本身存在寄生電阻，但是在傳輸特性上缺乏對該電阻的考量，無形中導致兩端的電壓產生與預期效果不相符，從而導致其傳輸函數存在一定程度的誤差。基于此，1995年由法國學者Fabre提出CCCII，通過X端寄生電阻受到直流偏壓影響的特點，從而呈現(xiàn)出能夠被正常調制的特點。大部分電路元件自身具備不同程度的電阻效應，在設計階段能夠有效降低無源元件的使用頻率，能夠有效簡化電路設計，其底層邏輯在于X端寄生電阻本身的大小往往有偏置電流來把控，通常以內部直流流Io偏壓對X端寄生電阻進行控制，能夠有效調制其特性。它的電路符號如圖2.3所示。圖2.3CCCII符號圖CCCII主要通過CCII的升級版，本身的輸入特性和原有系統(tǒng)存在異曲同工之處，設定輸入端為X和Y，并設定輸出端為Z，不過和原有系統(tǒng)相比，其增加了R調節(jié)電阻，從而讓該設備存在一定程度的電阻效應。2.4電流鏡電流鏡是本次設計MOCCCII的關鍵部件，它是模擬集成電路中必備的部件之一。通常其作用主要是在電壓模式運算放大器中對有源負載和電流進行偏置。而在升級的電流模式電路設計中，該設備的作用不僅于此，其也被用于進行信號的復制。大部分電流鏡可劃分為動態(tài)和靜態(tài)兩種，目前靜態(tài)電流鏡可細分為級聯(lián)電流鏡、Wilson電流鏡、Widlar電流鏡等。圖2.4標準共源共柵電流鏡圖2.4電流鏡運用了共源共柵技術，可以減小由于輸出和輸入電流不同所引起的比例誤差。圖中輸入端一側為M1、M3串聯(lián)，輸出端一側為M2、M4串聯(lián)。M1、M3管柵、漏極接在一起，在電路中構成等效的二極管，兩管都工作于飽和區(qū)，使得輸入端呈現(xiàn)低輸入電阻。M2、M4的柵、漏極都不短接，使輸出端具有高輸出電阻。2.5運算放大器運算放大器本身包含多個級別的電子集成電路，其主要任務在于根據實際情況將電路進行分級放大，能夠實現(xiàn)有效抑制零點漂移的作用，此外該器件具備較高的輸入電阻；和輸入級不同的是，中間級的放大器的任務是將電壓放大，該設備通常由放大電路和共射極組成；在實際使用過程中，負載和輸出級產生連接關系，并呈現(xiàn)出極強的帶載能力，其本身輸出的電阻相對較低。運算放大器是本文提出電路的核心部分，因為后級的緩沖器電路也是運算放大器電路的改進，所以運算放大器性能的好壞將直接影響CCII電路的性能。高增益放大器的思想基于反饋的概念。在模擬電路中，要能夠精確地定義傳輸函數。如圖2.4本設計采用的運算放大器。圖2.4運算放大器2.6電壓跟隨器在電壓輸入和輸出過程中保持電壓的一致性。電壓跟隨器的特征在于，整體輸出阻抗比較低，而輸入的阻抗相對更高。一般情況下，該設備的作用在于產生進行有效緩沖。通常電壓放大器的輸出阻抗相對較高，最高可達上千歐，一旦后級的輸入阻抗相對較小，極易造成前級的輸出電阻受到影響。此時，電壓跟隨器的作用開始顯現(xiàn)，對能夠有效發(fā)揮緩沖作用，為整個電路提供平穩(wěn)過渡的作用。通常情況下，可通過運算放大器達到有效緩沖的效果，將輸出電壓全部反饋至輸入端，從而實現(xiàn)輸入和輸出端電壓保持一致，其公式為vout=vin。如圖2.5所示，給出了使用CMOS管應用并聯(lián)負反饋概念實現(xiàn)低輸出電阻的電路。電路僅僅是具有單級放大器開環(huán)增益的單位增益緩沖器。圖2.5簡單的并聯(lián)負反饋緩沖器如圖2.5所示中，晶體管M1、M2組成輸入差分對；晶體管M3、M8；M4、M6；M7、M9組成三組基本電流鏡提供單端輸出電流，在電路設計中，可取M3、M4具有相同的寬長比，M6、M7、M8、M9寬長比相同。靜態(tài)偏置電流由電流源IB提供。信號從M2管的柵極進入，給M2的柵極提供交流電壓信號的輸入，這樣在M2的漏極就得到了一個相應的小信號電流，小信號電流通過電流鏡鏡像到晶體管M6。并通過M3、M8；M7、M9這兩組電流鏡的作用，最終將電流傳遞給M1管。同時小信號電流在M6的漏極轉化為輸出電壓vout，輸出電壓vout跟晶體管M1的柵極相連，從而將輸出和輸入聯(lián)系起來，完成反饋功能。2.7反饋電路反饋電路的主要作用在于回收放大器輸出信號，根據不同需求進行部分和全部回收，在此基礎上對輸入和輸出信號展開對比和分析，使用得出的結果對輸入和輸出信號進行控制。根據電路結構的實際需求來劃分，大致可分為電壓反饋電路和電流反饋電路。通常將不同電路反饋應用于電子振蕩電路中，大部分時候將負反饋電路應用于頻率不同的放大電路上，近些年其應用深度和廣度不斷加強，在本次研究中，主要圍繞負反饋電路展開研究和分析，通常情況下，負反饋對放大器電路性能產生的影響大致可總結為以下幾個方面：可有效提升放大器增益的有效性和穩(wěn)定性。可合理加寬放大器的頻帶?？山档褪д嫘Ч？勺畲笙薅忍嵘旁氡?。對放大器的各方面的電阻產生不同程度的影響。第3章電路整體設計3.1二階多功能電流模式濾波器濾波器是一種按規(guī)定方式讓某些頻率的信號通過，而阻止另一些頻率的信號通過的電路。二階多功能電流模式濾波器是一款結構較為簡單，功能更加完善的濾波器。如圖3.1所示電路是由一個MOCCCII模塊電路，一個CCCII模塊電路，2個電容，2個電阻所組成的二階多功能電流模式濾波器，通過選擇不同端口來實現(xiàn)高通、帶通、低通、帶阻功能。圖3.1二階多功能電流模式濾波器設MOCCCII的電流控制系數為，CCCII-的電流控制系數為，由端口特性及電路的基本理論，可得電路的4個傳輸函數如下。（3-1）設由公式（3-1）可得到低通傳輸函數。（3-2）設由公式（3-2）可得到高通傳輸函數。（3-3）設由公式（3-3）可得到帶通傳輸函數。（3-4）設由公式（3-4）可得到帶阻傳輸函數。由上述方程式可知電路的中心頻率及品質因數。（3-5）（3-6）式（3-5）、（3-6）說明中心頻率ω0和品質因子Q可以通過k1和k2調節(jié)，因此，電路可以分別實現(xiàn)特征參數ω0和Q的獨立可調。3.2CMOSCCCII電路圖3.2為CMOS晶體管實現(xiàn)的電調諧小信號電流放大器。它是在小信號電流放大器電路基礎上實現(xiàn)的。圖3.2所示該電流放大器能夠調節(jié)諧波信號，該設備由兩個CMOS平方電路構成，分別由晶體管組M1、M2、M3和電流源組成第一個平方電路，由晶體管組M1'、M2'、M3'和電流源組成第二個平方電路構成。晶體管M4、M5以及電流源形成電流可控的偏置電路，給晶體管M3、M3'提供偏置電壓。圖中所有的管子均工作在飽和區(qū)。圖3.3CCCII電路該電路第一部分是一個帶緩沖加補償的運算放大器。M5為源隨器，用于降低X端的輸出電阻。第一級的運算放大器是一個由晶體管M1、M2、M3、M4組成的差分放大器。該電路具有低功耗、電壓和電流傳輸誤差小、電壓和電流傳輸帶寬高等優(yōu)點。通過電流鏡給M1、M2、M3、M4、M15組成的差分放大器一個偏置，輸出端X接回本身的輸入端，組成一個單位增益的反饋，所以X端跟隨Y端，電流也跟隨Y端。3.3CMOSMOCCCII電路MOCCCII是一種由若干個輸出端口構成的電流傳輸設備，并以此為基礎進行延伸，從而發(fā)展成為若干種二階濾波器的結構電路。圖3.4MOCCCII電路圖3.4中M1-M17為單端輸出CCII的主要電路，即前面章節(jié)提出的高帶寬電流傳輸器。M1、M17分別和M18、M19以及M20、M21構成兩組同相輸出電流鏡，M22、M25分別和M26、M27以及M28、M29構成兩組反相輸出電流鏡。其中M30、M31為PMOS分壓電阻，給整個電路提供合適的靜態(tài)偏置電流。由M16，M17產生的電流通過電流鏡M18、M19及M20、M21傳到Z1、Z2端。由M22，M25所產生的電流通過電流鏡M26、M27以及M28、M29傳到、端。電源電壓維持在±1.2V，與低電壓電路的實際需求相符，如果在實際需求中有要求，可進行輸出端和輸入端的擴展。每個增加輸出或輸入端口通常只需要增設MOS管即可。在實際設計過程中，可增加輸出或輸入端口以適應不同電路設計的需求。從圖3.3中發(fā)現(xiàn)，數值型電流源并不存在，也擯棄了偏置電壓，由此看來，該電路設計的實用性更強。3.4設計工具3.4.1Virtuoso軟件本課題使用Virtuoso軟件繪制版圖，Virtuoso軟件是Cadence公司設計的一款大型的、功能非常完善的電子設計自動化軟件，Virtuoso有一個很強大的集成電路輔助設計系統(tǒng)，作為當下非常流行的電子自動化設計軟件，各種不同模塊的電路設計都可以在Virtuoso軟件中進行，其中涵蓋專用的射頻電路、計算機布線設計、集成電路設計等內容。和其他類型的電路版圖設計工具不同的是，Virtuoso具備極強的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在版圖驗證、電路繪制、電路仿真等方面。該軟件如今受到越來越多人的認可，并在多個領域廣泛應用。3.4.2Calibre軟件Calibre軟件是業(yè)界進行版圖后期驗證等工作時主要使用的軟件之一。Calibre擁有非常完整的版圖驗證功能，目前，市場上有很多家集成電路設計公司、半導體制造公司、半導體封裝測試公司以及單元庫和網絡之間互連的協(xié)議開發(fā)商均采用Calibre軟件作為主要的版圖驗證工具。與其他驗證軟件相比較，Calibre軟件工作容量大、驗證速度快，工作效率高而且準確性好，還能夠對版圖實現(xiàn)多層次驗證。Calibre作為版圖驗證工具，涵蓋Calibre版圖電路圖和規(guī)則檢查(DRC)等內容，并將兩者進行對比和分析，在進行驗證時嚴格遵守廠家在版圖規(guī)格、電路性能、元件參數、工藝尺寸等各方面要求。此外，即使對于設計方法不同的版圖，Calibre也能夠對其完成識別和驗證等功能，例如針對次波長版圖設計，Calibre對其進行驗證時可以新建模型，Calibre庫包括四種主要的次波長驗證技術，分別有光學制程修正、相位移光罩、散射條和偏軸照明技術。作為實體驗證工具市場的領導者，Calibre已經成為許多廠商采用的標準。3.5本章小結本章完成了課題內容的主要設計與原理介紹，為下面搭建電路做好鋪墊，同時也對電路搭建所使用的軟件進行了大致介紹，通過這些準備工作讓課題的研究進行的更加順利。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第4章電路的搭建與仿真4.1總體電路搭建如圖4.1所示，總體電路圖一共由59MOS晶體管，加上2個電阻、3個電容完成總體電路圖的搭建，總體電路圖的搭建可以分兩個模塊進行，由MOCCCII模塊和CCCII模塊構成主要的電路圖，在其基礎上進行搭建連線，加入電阻和電容，由3個電壓源（vdc）充當電路圖的vdd、gnd、vss，由2個電流源（idc）為輸入端，從而組成總體電路圖。圖4.1總體電路4.2電路的各部分模塊4.2.1CCCII電路根據原理圖搭建CCCII電路，如圖4.2所示。電路圖由13個PMOS管、19個NMOS管、1個電容組成、3三個電流源，其中電容是作為補償的作用。本設計在電流相減的部分選擇反向端作為輸出。圖4.2CCCII電路CCCII電路圖CMOS管參數如下表4.1。表4.1CCCII管子參數器件名稱寬長比器件名稱寬長比器件名稱寬長比MP060u/1uMP160u/1uMP260u/1uMP360u/1uMP460u/1uMP560u/1uMP660u/1uMP760u/1uMP860u/1uMP960u/1uMP1060u/1uMP1160u/1uMP1260u/1uMN040u/1uMN1160u/1uMN240u/1uMN340u/1uMN420u/1uMN520u/1uMN640u/1uMN740u/1uMN840u/1uMN910u/1uMN1010u/1uMN1110u/1uMN1210u/1uMN1310u/1uMN1410u/1uMN1510u/1uMN1610u/1uMN1710u/1uMN1810u/1uC01pf4.2.2MOCCCII電路根據原理圖搭建MOCCCII電路，如圖4.3所示，該電路由11個PMOS管、16個NMOS管組成，本設計只用到兩路輸出，所以另外兩端輸出端口省去。圖4.3MOCCCII電路MOCCCII電路圖CMOS管子參數如下表4.2。表4.2MOCCCII管子參數表器件名稱寬長比器件名稱寬長比器件名稱寬長比MP024u/400nMP124u/400nMP211u/400nMP324u/400nMP424u/400nMP524u/400nMP624u/400nMP724u/400nMP824u/400nMP924u/400nMP1024u/400nMN012u/400nMN112u/400nMN24u/400nMN340u/400nMN440u/400nMN540u/400nMN68u/400nMN740u/400nMN840u/400nMN940u/400nMN108u/400nMN118u/400nMN128u/400nMN138u/400nMN148u/400nMN158u/400n4.3電路的仿真在CCCII電路圖中設置Ia=50u，Ib=50u，Ic=100u，C0=C1=10pf，R0=R1=10K。采用交流仿真的方式，頻率設置在100K-100MHz，如圖4.4、圖4.5、圖4.6、圖4.7可以得到四種功能的仿真，從所示波形圖可以得出所搭建電路的正確性。4.3.1低通濾波如下圖4.4所示，通過波形仿真不難發(fā)現(xiàn)，當波形低于1.2赫茲的頻率時，能夠全部通過，但一旦仿真波形高于截止頻率，將會設備持續(xù)弱化，所以該仿真為低通濾波仿真波形。圖4.4低通濾波4.3.2高通濾波如下圖4.5所示，從仿真波形中可以看出波形低于截止頻率（1.21MHz）頻率會衰減到接近于0，高于截止頻率信號會通過，所以該仿真為高通濾波仿真波形。圖4.5高通濾波4.3.3帶通濾波如下圖4.6所示，從仿真可以看出仿真波形在7.42KHz-4.66MHz的范圍內的信號通過，其他范圍內的波形逐漸衰減到接近于0，所以該仿真為帶通濾波仿真波形。圖4.6帶通濾波4.3.4帶阻濾波如下圖4.7所示，從仿真中可以看出仿真大部分范圍內的信號可以通過，在7.42KHz-4.66MHz為阻帶在其范圍內的波形逐漸衰減到接近于0，所以從該仿真為帶阻濾波仿真波形。圖4.7帶阻濾波4.4本章小結本章完成了電路的搭建與仿真，通過仿真驗證了所搭建電路圖的可以實現(xiàn)低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波的功能。在搭建過程中出現(xiàn)了電路線路錯誤和管子尺寸不合適導致仿真波形出現(xiàn)誤差，通過細心檢查進行改正。所設計的電路圖中的CMOS晶體管尺寸還可以進一步優(yōu)化，電路圖的設計希望可以更加簡便。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第5章版圖設計及驗證在整個電路的設計過程中有個尤為重要的過程—版圖設計。版圖的設計至關重要，直接反應出所設計的電路能否很好的將各個指標完全的實現(xiàn)。所以一個好的電路設計非常需要一個好的版圖設計。版圖設計是將設計方案轉換為一組光刻掩模，根據相應的設計規(guī)則進行布局布線，在芯片制造過程中使用這些掩模版。在集成電路產業(yè)的快速發(fā)展下，制造材料和工藝階段的快速發(fā)展先進的集成電路和集成電路布局設計已經從初步的簡易圖形設計發(fā)展到需要綜合考慮各種因素的復雜設計問題。本章開始就是版圖的設計，涉及到布局布線以及對版圖和電路的驗證，該環(huán)節(jié)主要是針對（DRC）電路版圖的設計原則進行一致性驗證（LVS）。5.1版圖的繪制5.1.1MOCCCII模塊MOCCCII電路一共有27個器件，其中有11PMOS管，16個NMOS管，畫版圖時采用源漏共用，將兩個管子合成一個管子，如圖5.1所示，版圖含有6個PMOS管和12個NMOS管，版圖面積為2474.2278。圖5.1MOCCCII模塊版圖設計5.1.2CCCII模塊CCCII電路一共有33個器件，其中有13個PMOS管，19個NMOS管，1個電容，其版圖如圖5.2所示，版圖含有7個PMOS管和15個NMOS管，版圖面積為8390.849。圖5.2CCCII模塊版圖設計5.1.3匯總模塊匯總模塊在兩個子模塊相連的情況下加入3個電容，3個電阻而成，如圖5.3所示，面積為29912.0307。圖5.3匯總模塊版圖設計5.2版圖DRC和LVS驗證5.2.1DRC驗證DRC驗證過程如下。1.導出版圖文件（gds文件），在Virtuoso主界面選擇File→Export→StreamOut，在彈出的XStreamOut界面將版圖文件導出。2.成功導出版圖文件后需要在所操作的DRC文件夾路徑下進入Calibre，這樣才能確保DRC文件的正常運行。3.在Calibre中打開從Vrituoso中所導出的版圖文件，在菜單中選擇RunnmDRC選項在對應的對話窗口選擇符合設計要求的內容--drc_header_1k_00以及版圖模塊文件然后進行DRC的驗證。運行DRC驗證后輸出兩個文件，一個是DRCSummaryReport，這個是對版圖驗證后的總結，另外一個報告是驗證后的具體錯誤報告，將根據具體的錯誤報告來修改版圖文件。如圖5.4、5.5、5.6所示為各個模塊版圖以及整體版圖所進行驗證后的報告結果，其中“CheckMD*_CHK”是金屬密度檢查的錯誤報告，可以忽略。圖5.4MOCCCII模塊版圖DRC驗證報告如圖5.4所示，忽略金屬密度問題，所以MOCCCII模塊版圖DRC驗證通過。圖5.5CCCII模塊版圖DRC驗證如圖5.5所示，忽略金屬密度問題，所以CCCII模塊版圖DRC驗證通過。圖5.6匯總版圖DRC驗證如圖5.6所示，忽略金屬密度問題，所以匯總版圖DRC驗證通過。5.2.2LVS驗證當DRC驗證結束后，應當針對版圖設計電路進行全面檢查，LVS的驗證方式顯著區(qū)別在于，其在研究過程中需要將gds文件和網表文件全部導出到LVS驗證的文件夾下，驗證過程如下。1.成功導出兩個文件后，就需要在LVS驗證的文件下打開Calibre，這里需要注意在跑LVS之前需要在Calibre中對版圖上所打的標號進行加層——4024層，其目的是因為在Calibre中識別不出來在Vrituoso中所加的MET1的標識，需要更換為Calibre中的MET1層即4024層。2.所有標識修改完畢后進行保存，然后退出或新建一個控制臺界面修改source_me文件，修改兩個文件中的網表文件、版圖文件的名稱以及所在路徑然后保存。3.執(zhí)行命令./source_me，這時候打開Calibre進入所修改好的版圖文件選擇菜單欄中的StartRVE進行LVS驗證，查看LVS檢查結果并定位LVS錯誤，對版圖和電路圖的檢查報告進行對比然后修改，直至電路圖和版圖相匹配為止。在每次修改過后都需要重新導入gds文件和cdl文件，否則LVS運行的一直是第一次跑過的結果。修改時要回到Cadence上進行修改。如圖5.7、5.8、5.9所示為各個模塊版圖以及整體版圖所進行驗證后的報告結果。圖5.7MOCCCII模塊版圖LVS驗證如圖5.7所示，MOCCCII模塊版圖LVS驗證通過。圖5.8CCCII模塊版圖LVS如圖5.8所示，CCCII模塊版圖LVS驗證通過。圖5.8匯總模塊版圖LVS如圖5.8所示，匯總模塊版圖LVS驗證通過。5.3本章小結本章完成了版圖的設計并進行了DRC和LVS驗證，在版圖設計工程中可以選擇單獨插入器件和一鍵插入，面對插入器件的格點錯誤，通過修改DRC規(guī)則文件中的格點尺寸來進行改正，其余格點錯誤通過設計規(guī)則來進行修改。在LVS驗證過程中，版圖中管子的尺寸與電路圖中的尺寸不對應，需要進行細心的檢查來找出問題管子所在，面對所畫版圖的邏輯錯誤，在LVS驗證報告中找到所出現(xiàn)問題的器件部分并進行改正。所設計的版圖面積還可以進一步優(yōu)化，版圖中連線部分還可以刪減簡化。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第6章結論在Cadence環(huán)境下基于0.35μmCMOS工藝完成了一種二階多功能電流模式濾波器設計。通常涵蓋電路模塊的搭建與設計，以及關于電路版圖的設計和多種模式的驗證方法。通過分析電流模式電路設計的原理，以及電流傳輸器的優(yōu)缺點，本設計主要包括了兩個模塊電路設計，其中有多端輸出電流傳輸器MOCCCII電路模塊、單端輸出電流傳輸器CCCII電路模塊。為了優(yōu)化電路，設計了一種CCCII電路。本設計由兩個模塊進行搭建構成的二階多功能電流模式具備若干種濾波功能，分別為帶通、高通、低通以及帶阻，此外，該電路設備整體性能穩(wěn)定性較強，相較于傳統(tǒng)電路設計有所簡化。當電路搭建程序結束之后，開始仿真程序，本次研究中引入Cadence對主要的電路設計展開仿真工序。從仿真結果看，通過分析與仿真，設計的電路符合100KHz-100MHz區(qū)間內的帶通、高通、低通、帶阻等濾波的需求。1.21MHz為低通濾波和高通濾波的截止頻率，7.42KHz-4.66MHz為帶通濾波的通帶范圍，7.42KHz-4.66MHz為帶阻濾波的阻帶，1.83MHz是中心角頻率，通過改變電流源的數值可以調節(jié)濾波器的增益。電路功能驗證完畢，針對該濾波器展開設計，主要設計內容為版圖設計，根據實際情況對電路布局、模塊等方面進行設計，并利用LVS和DRC對相應電路進行仿真驗證，進行整體版圖的拼接，為了使版圖形狀和面積得到優(yōu)化，部分CMOS管子通過源漏共用的原理拼接成一個管子，最終得到一個較為良好的整體版圖，面積為29912.0307。在實際應用過程中，二階多功能電流模式濾波器的設計并不是理想的，該設計的電路優(yōu)化還需要進一步的完善。版圖設計中的模塊面積有待更進一步優(yōu)化。希望通過進一步學習最新的集成電路理論，了解國內外出現(xiàn)的新的集成電路設計思想，力爭所設計的集成電路可以達到更好的性能，更進一步的電路設計水平。隨著現(xiàn)在集成電路技術的不斷發(fā)展與革新，相信在以后的集成電路發(fā)展中一定會出現(xiàn)更加完美的電流模式濾波器。參考文獻[1]黃蘇平．低壓共源共柵電流鏡的偏置電路[J]，集成電路應用，2020，37（4）：25-27[2]李志軍，王春華，劉榮．任意電流模式濾波器的綜合實現(xiàn)[J]，通信學報，2010，31（8）：60-65，74[3]蔣品群，顧燊，宋樹祥，岑明燦