1 题目要求
电流型运算放大器是一种对电流信号进行放大的电路，相对于电压型运算放大器，它具有更快的速度和更大的输入噪声。本题目的要求是设计一款电流型运算放大器，在5V电源电压条件下，其性能尽可能满足如下指标：
1. 开环增益大于60dB欧姆； 2. 带宽大于5MHz； 3. 转换速率大于50V/us； 4. 静态电流小于2mA。 设计要求如下：
1. 画出电路架构图，分析特征尺寸对性能的影响； 2. 计算输出电阻电容值； 3. 通过仿真软件对设计进行验证。
2 设计理论基础
2.1 MOSFET的概念
MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.2 MOSFET的基本结构
MOSFET基本结构如上图所示：四端口原件，分别为漏极（D）、栅极（G）、源极（S）、衬底（BASE），一般将S极与B极相连，组成三端口原件。
2.2 MOSFET基本类型
金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为N沟道与P沟道两大类， P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，栅极上加有足够的正电压(源极接地)时，栅极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道，加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。
MOSFET共有三个脚，一般为G、D、S，通过G、S间加控制信号时可以改变D、S间的导通和截止。PMOS和NMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。
本次设计只采用0.5um工艺的增强型NMOPS和增强型的PMOS管。
2.3 MOSFET工作原理
MOSFET的工作原理是基于半导体的表面场效应，实质上相当于由外电压控制的特殊电阻。半导体的表面场效应是指：在垂直于半导体表面的电场作用
下，半导体表面层中的载流子浓度发生变化，导致表面层导电能力的改变。 N沟道增强型MOSFET：
当栅极加有正向电压时，P型衬底表面将出现耗尽层，随着栅源电压VGS的增大，P型半导体便面将有耗尽层转为反型层，当VGS>VT时，表面就会形成N型反型沟道，这时，在漏源电压VGS的作用下，沟道中将会有漏源电流流过，当VDS一定，VGS越高 ,沟道越厚，即导电电子越多，则沟道电流越大。 P沟道增强型MOSFET：
PMOS的工作原理与NMOS相类似。因为PMOS是N型硅衬底，其中的多数载流子是电子，少数载流子是空穴，源漏区的掺杂类型是P型，所以，PMOS的工作条件是在栅上相对于源极施加负电压，亦即在PMOS的栅上施加的是负电荷电子，而在衬底感应的是可运动的正电荷空穴和带固定正电荷的耗尽层，不考虑二氧化硅中存在的电荷的影响，衬底中感应的正电荷数量就等于PMOS栅上的负电荷的数量。当达到强反型时，在相对于源端为负的漏源电压的作用下，源端的正电荷空穴经过导通的P型沟道到达漏端，形成从源到漏的源漏电流。同样地，VGS越负(绝对值越大)，沟道的导通电阻越小，电流的数值越大。
与NMOS一样，导通的PMOS的工作区域也分为非饱和区，临界饱和点
和饱和区。当然，不论NMOS还是PMOS，当未形成反型沟道时，都处于截止区，其电压条件是： VGS
值得注意的是，PMOS的VGS和VTP都是负值。
2.4 MOSFET工作特性
1）主要参数：
① 开启电压VT:
VT是增强型MOS管的参数。当υ流时，栅源间的电压。
② 夹断电压VP:
DS为某以固定值iD等于一个微小电
VP是耗尽型MOS管的参数。当υDS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅
源间的电压。（本次设计未用到耗尽型MOS管）
③ 输出电阻ro：
ro=
④低频互导gm:
?vDS?iDVGS=
1?i【此公式第二个等号之后仅适用于NMOS】
D
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