新型BiCMOS集成运算放大器设计

为了提高运算放大器的驱动能力，依据现有CMOS集成电路生产线，介绍一款新型BiCMOS集成运算放大电路设计，探讨BiCMOS工艺的特点。在S-Edit中进行“BiCMOS运放设计”电路设计，并对其电路各个器件参数进行调整，包括MOS器件的宽长比和电容电阻的值。完成电路设计后，在T-spice中进行电路的瞬态仿真，插入CMOS，PNP和NPN的工艺库，对电路所需的电源电压和输入信号幅度和频率进行设定调整，最终在W-Edit输出波形图。在MCNC 0.5μm工艺平台上完成由MOS、双极型晶体管和电容构成的运算放大器版图设计。根据设计的版图，设计出Bi-CMOS相应的工艺流程，并提取各光刻工艺的掩模版。

　　1 电路图设计

　　本文基于MCNC 0.5 μm CMOS工艺线设计了BiCMOS器件，其集成运算放大器由输入级、中间级、输出级和偏置电路4部分组成。输入级由CMOS差分输入对即两个PMOS和NMOS组成;中间级为CMOS共源放大器;输出级为甲乙类互补输出。图1为CMOS差分输入级，可作为集成运算放大器的输入级。NMOS管M1和M2作为差分对输入管，它的负载是由NMOS管M3和M4组成的镜像电流源;M5管用来为差分放大器提供工作电流。M1管和M2管完全对称，其工作电流IDS1和IDS2由电流源Io提供。输出电流IDS1和IDS2的大小取决于输入电压的差值VG1-VG2。IDS1和IDS2之和恒等于工作电流源Io。假设M1和M2管都工作在饱和区，那么如果M1和M2管都制作在孤立的P阱里，就没有衬偏效应，此时VTN1=VTN2=VT。忽略MOS管沟道长度的调制效应，差分对管的输入差值电压VID可表示为：

　　M2管和M4管构成CMOS放大器，两个管子都工作在饱和区，其电压增益等于M2管的跨导gM2和M2，M4两管的输出阻抗并联的乘积，即：

　　式(4)表明，CMOS差分放大器具有较高的增益。该增益随电流的减少而增大;随MOS管宽长比的增加而增高;随两只管子沟长高调制系数λ的减少而增加，所以设计时，应尽可能增加沟道长度，减小λ值，以此来提高CMOS的增益。偏置电路用来提供各级直流偏置电流，它由各种电流源电路组成。图2为加上偏置电路的CMOS差分放大器。

　　图2中，M5管为恒流源，用于为差分放大器提供工作电流;M6和M7管为恒流源偏置电路，用于为M5提供工作电流。其中，基准电流为;

　　图3为输出级的最终结果，其中M6，M7，M10为偏置，Q4，Q5用来减小交越失真，Q1为输出级的缓冲级。