运算放大器是模拟和混合电路中被广泛应用的基本模块,其精度和稳定性决定着系统的性能,而CMOS Rail-to-Rail运算放大器以其优异的输入、输出电压范围等特点受到广泛的应用。本文主要针对CMOS rail-to-rail运算放大器及其辅助电路的原理、版图进行设计。首先,对组成Rail-to-Rail运算放大器的输入级、输出级、偏置电路和频率补偿电路进行了分析和设计。特别是在输入级设计中为了消除不同类型输入器件之间的匹配问题,采用了两对相同尺寸的n型沟道差分对管作为输入器件。同时为了维持跨导恒定,在输入级加入电流补偿电路。其次,对芯片主要的辅助模块,如带隙基准源、芯片过温保护、ESD保护模块等电路进行了设计。经过对带隙基准基本原理和曲率问题的分析,本文采用电流模式曲率补偿型带隙基准源作为运算放大器的基准电压。同时,利用PN结电压的温度特性作为内部传感器,将其电平输入与比较器回馈输出进行对比,完成了芯片过温保护电路的设计。再次,对CMOS rail-to-rail运算放大器、辅助电路及ESD保护模块的版图进行了系统的设计。在分析引起集成器件失效机制的基础上,提出了版图设计的优化方式。并对引起各类失配的原因及其影响展开讨论,进行了匹配性设计优化。最后,基于CSMC 0.6μm工艺的BSIM3v3模型对版图进行后仿真,并与电路原理设计结果进行比较,结果表明:运放芯片的输入共模电压范围和输出电压摆幅达到了轨对轨电路的要求,输入级跨导在整个输入共模电压范围内变化不超过±10%,开环增益可达到99dB,单位增益带宽为9.96MHz,相位裕度为58°,满足设计指标要求。