本文为2023年第七届全国大学生集成电路创新创业大赛（“集创赛”）国家集创中心二等奖作品分享，参加极术社区的【有奖征集】分享你的2023集创赛作品，秀出作品风采，分享2023集创赛作品扩大影响力，更有丰富电子礼品等你来领！
团队介绍
作品名称：基于Gain Boosting和Cascode Miller补偿的二级运算放大器
参赛学校：山东大学
队伍名称：桓喆远
指导老师：周冉冉，王永
参赛队员：张桓，白奥喆，罗思远
总决赛奖项：二等奖
1. 赛题简介
1.1 背景及意义
运算放大器是模拟电路系统中的一个基础且重要模块，在各类电路系统之中随处可见。运算放大器通过和少量的无源器件进行组合就可以实现许多重要的功能，例如加法器、反相放大器、积分器和缓冲器等，如果再搭配晶体管等有源器件，可以被设计成模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、调制器、开关电容滤波器、整流器以及电平峰值检测器等。运算放大器的性能将直接影响整个模拟或者混合信号系统，它在模拟电路的研究中占据着非常重要的地位。
并且相对与数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功，但这并不适用于模拟电路设计。目前来说，模拟电路设计仍然需要手工进行。因此，仔细研究模拟电路的设计过程，熟悉那些提高设计效率、增加设计成功机会的原则是非常必要的。
1.2 赛题要求
本次国家集创中心杯选取本科生较为熟悉的运算放大器为赛题设计对象，完成芯片设计验证的全流程。
赛题基本要求为设计运算放大器，在前仿后仿下满足赛题的设计指标；进阶要求有：在不同电源电压不同工作温度下能满足指标要求；工艺角下（TT，SS，FF，SF，FS）仍可以满足指标要求；只考虑器件失配（忽略工艺角）的蒙特卡洛仿真（计算4.5个Sigma偏差）仍可以满足指标要求。并基于比赛完成芯片设计和PDK验证的全流程。
2. 作品简介
2.1 总体介绍
2.1.1 完成情况
本团队设计的二级运放成功完成了所有赛题指标要求：前后仿下均能在1.62V-1.98V电源电压以及-40℃-125℃满足指标要求；工艺角下（TT，SS，FF，SF，FS）仍可以满足指标要求；只考虑器件失配（忽略工艺角）的蒙特卡洛仿真（计算4.5个Sigma偏差）仍可以满足指标要求。赛题基本指标进阶指标全部完成。 
图1 进阶指标完成情况
图2 测试指标仿真结果
图3 蒙特卡洛仿真结果
2.1.2 作品亮点
作品最大的亮点是：在满足上述指标要求的情况下，单位增益带宽达到了200MHz以上，很好地实现了带宽最大化。高带宽是项目的精华部分，也是项目最大的亮点。在实现高带宽方面，我们花费了大量的时间去解决它带来的一系列稳定性与结构的问题，这部分遇到的困难最多，难度最大，实现它令我们很有成就感。
2.2 整体设计流程
设计流程共分为确定电路拓扑结构、电路参数设计与优化、原理图测试、版图设计、版图提取与后仿真五个阶段。在拓扑选择阶段，我们选用Gain Boosting和共源共栅密勒补偿结构；在电路参数设计与优化阶段，对理论计算值进行优化，调整参数达到赛题要求的指标；在电路原理图测试阶段，我们根据赛题要求搭建了直流仿真、交流仿真、瞬态仿真等测试平台，同时针对关键工艺角和不同温度不同电源电压情况下进行了测试。最后通过合理的布局布线完成了版图的设计提取以及后仿真。 
图4 设计流程图
2.2.1 拓扑结构选择
本团队参考多种电路结构，最终选定折叠式共源共栅结构差分放大器与共源放大器级联组成两级运算放大器。采用Miller电容与Current Buffer串联的结构来进行补偿。最后使用了Gain Boosting技术在满足所有指标的情况下，最大程度得实现单位增益带宽的最大化。 
图5 拓扑结构图
2.2.2 版图绘制及后仿
版图绘制有这样一些经验和注意事项：布局不能过于松散要紧凑，以节省面积；第一级的差分放大器的 MOS 管要对称分布； 相连的有源区共用节省面积并减少寄生参数；金属布线单数金属同向，双数金属同向，尽量少用寄生电容很大的mental1；添加Guard Ring，减少噪声干扰避免闩锁效应。
完成版图后进行版图提取和后仿，观察后仿各指标的结果。如果有指标没有达到要求，回到前仿对电路进行优化，在前仿中留出更大的裕度。因为在本次作品之前，我们团队没有进行过设计指标要求很高的模拟电路设计，在理论计算和实际仿真中会存在不小的差距，例如在前仿中发现 SR 的数值不能满足标准，同时也是为了后仿的SR结果能够满足指标，我们根据SR的公式进行了调整。而在后仿中的数值浮动也证明了提高设计裕量的必要性。这正如 Razavi 所说的模拟电路就是需要各个指标之间的权衡(trade off)。这往往需要设计者有足够的经验去对性能指标的设计裕量有很好的判断，对于只进行过前仿的我们是一次很有意义的学习。 
图6 版图绘制
3. 参赛感悟
回首集创赛的这几个月，从最初开玩笑地立志完赛拿回300大洋参赛费，到幸运地闯入国赛。期间有过信心十足，有过坎坷焦虑，但不论怎样的情况，我们都没有停下对于更高梦想的追求，对更好的自己的追逐。
通过本届集创赛，我们深刻体会到与队友相互支持、协作默契，分工明确、鼓励倾听是团队合作的关键。同时，在备赛过程中团队成员拥有积极乐观的态度是最重要的。在备赛过程中会遇到各式各样的困难，只有我们互相帮助互相鼓励并勇于面对困难，才能更进一步。积极乐观的团队氛围会让我们更加顺利地渡过难关。
感谢集创赛和国家集创中心杯为我们提供的舞台和锻炼的机会，感谢指导老师的悉心教导。通过本届集创赛，我们对于运算放大器有了一个更深入的了解，让我们对于芯片设计的全流程，从确定电路拓扑结构到参数的优化，再到之后的版图的设计以及前仿后仿，有了一个全面且深入的认知，这是一次宝贵的芯片设计经验。也让我们相信自己的能力和潜力，面对挑战勇往直前。让我们学会享受过程，懂得每一次尝试和挑战都是成长的机会，在今后的芯片学习和研究中脚踏实地继续向前，只问盛放无问西东。
海报制作不易QAQ，怎么能不放呢~~
给这次难忘的回忆做一个纪念吧！毕业在即，我们也要各自前行了。希望xdm携手岁月川流，我们下一个山峰再碰头~
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