华中科技大学IC课程设计实验报告比例放大器设计.docx

华中科技大学IC课程设计实验报告比例放大器设计.docx

《华中科技大学IC课程设计实验报告比例放大器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华中科技大学IC课程设计实验报告比例放大器设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

华中科技大学IC课程设计实验报告比例放大器设计

中科技大学

题目：

比例放大器设计

系:

班:

名:

口

号:

指导教师:

20XX年XX月

“虚断”

在模拟电路中对放大器进行设计时，差分放大器由于能够实现两倍放大和能够很好的抑制共模噪声的优良性能而被广为应用。

本文利用放大器的“虚短”的特性对比例放大器的结构及放大器的构成和基本参数进行了设计，其中放大器采用差分放大结构。

关键词：

比例放大器差分放大器一级结构二级结构

Abstract

Whendesigninganamplifier,differentialamplifiers,withitstwicehighergainanditsrestraintoCommon-modedisturbance,ismorewidelyusedthanotherkindsofamplifiers.Inthisreport,wemakeuseofthepropertiesof“virtualshortcicuit

disconnectionn”ddaesignthestructureandparametersofthewholecircuitaswellasthestructureoftheamplifier.

KeyWords：

ProportionamplifierDifferentialamplifiersLevel1Level2

ABSTRACT

III

1题目要求

2设计过程

2.1基本结构及分析…

2.1.1外围电路分析-

2.1.2运算放大器选择

工艺参数提取…

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

理论推导与计算仿真二级密勒补偿运算放大器仿真结果综合仿真

.2

...3

.5

.6

10

...13

...17

结果分析与结论…•…

22

4心得体会

23

25

参考文献……

26

附录

27

1题目要求

设计一个比例放大器，参考电路如下:

要求:

自行设计放大器的结构与MOS尺寸参数、电阻R1、R2的阻值，以达到相关

性能指标；（基于0.35umCOMS工艺，MOS管长度均设定为Lmin=1um）

①Vin0.3cos（t）0.7Vn:

Vout1:

10；

②相位裕度［45度~65度］；③输入信号频率fjn100MHz；

④输出电流Iout10mA

2.1基本结构及分析

2.1.1.外围电路分析

指标要求中隐含了增益要大于10倍，带宽大于100MHZ，暂时不考虑相位裕度。

如图结构来说，根据放大器的“虚短”、“虚断”特性，可以列出如下等式:

VinVoutVin

R2R1

根据题目要求:

Vin:

Vout=1:

10

因此，有:

R1=9R2

又:

Iout=Vin/R2=10mA,Vin=1+0.1cos（wt）

得:

R2100

R1900

另外，信号中包含1V直流电压，相当于为放大器提供了直流偏置且Vo=10Vin=1v，取工作电压为单电源3v外围电路设计至此结束，现在进行放大器内部设计。

2.1.2运算放大器选型

由于输入信号的特点，其中同时包含了直流与交流电压，考虑到信号噪声以及直流电压波动，使用差分放大电路能对共模输入起到很好的抑制作用，因此本设计选用差分放大电路。

由于差分放大电路增益并不算高，实际中多采用Pmos有源负载以提高增益。

在这里，我们选用以电流镜为负载的差分放大器实现所要求的运算放大器。

电路如图所示：

VDD

M4

M3

Ibias

GND

NMOS器件M1和M2作为差分对管，PMOS器件M4,M5组成电流源负载。

电流Io提供差分放大器的偏置电流。

其中M1、M2参数全同，M3、M4参数全同。

，设所有管子都工作在饱和区，如果Vgs1=Vgs2，由对称性，Id1=ld2=ld3=ld4。

差分放大电路的输入输出有许多组合，本设计仅采用双端输入单端输出，因而本文仅对这种情况简要介绍。

当从Vi1输入差模信号，Vi2=0（交流小信号），设Vgs1增大，贝U相应Id1变大,Id2变小，输出电压Vo=Id2*Ro;当输入共模信号，Vgs1恒等于Vgs2，则Id2不变，输出电压也不变。

这样就相当于差模输入放大，而共模输入抑制。

F面对具体参数进行设计。

2.2工艺参数提取

重要工艺参数并没有在本设计使用的0.35um工艺库中直接提供，需要提取。

工艺库提供的参数为：

Tox=7.00000E-09m

Un=4.0045690E+02

cm^2/（VS）

Up=1.7853294E+02cmA2/（VS）

由Cox

K=0.5口Cox

tox

得Kp44,Kn200

为求值，需要对单个MOS管进行输出特性仿真。

仿真电路如下：

K已知取WL=1，固定Vgs，则在饱和区取两数据点可得

仿真单个nmos管特性

vgs=3.0000

vth=604.6282m

vds

id

4.2

222.9325U

4.3

223.1347U

Kn=200

lambdan=0.01

仿真单个pmos

vgs=-3.5000

vth=883.4507m

vds

id

-3.6

-108.9378U

-3.5

-108.5570U

Kp=44

lambdap=0.04

n0.01,p0.04

2.3理论推导与计算

对于上图所示差分放大器，电压增益为

其小信号等效电路如下:

列出电路的传递方程:

第一极点

可近似为

Wp1因为2gmProN1.

在达到第一极点之前，从传递函数知增益恒定，当接近第一极点时，电路的增益开始下降，在3=Wp1时，增益下降3db,之后增益以-20db/dec的速度开始下降，直到接近第二个极点。

对于一级放大而言第二极点的影响可以暂时不考虑。

1

roN:

—,roP

又nId

取Vgst10-2V（参考文献【11）

%v

（2）

VGST1Inp丿=200

该设计最小增益应该为10倍，带宽100MHZ，GBW=10^9则f1=GBW/A0=5MHZ

本设计取取f1为10MHz，CL=5pf,则ID=6.25mA，则根据上式计算可得

roNl|roP（

1

p）Id=320。

最后，由于Id和Vgst1都已确定。

可根据MOS管在饱和区的电流特性

W2

K^WgsVt）2

3550。

分别得出M1，M2的宽长比为W781.25,M3，M4的宽长比为W

（注：

本文未作特殊说明处均取L=1um）

此电路中用作恒流源电流等于两支路电流之和，丨REF12.5mA

2.4仿真

网表见附录。

电路如图:

结果如下：

静态工作点（略去不关心的参数）

****mosfets

subckt

element

modelregionid

vgs

vds

0:

m1

0:

n_33

Saturation

6.2500000m

959.7753743m

1.9115004

0:

m2

0:

n_33Saturation

0:

m30:

p_33Saturation

0:

m40:

p_33Saturation

6.2500000m959.7753743m

1.9115004

-6.2500000m-1.0482749

-1.0482749

-6.2500000m

-1.0482749

-1.0482749

acanalysis

freq

voltdb

voltphase

vo

vo

1.00000000

15.0444475

-6.8749998u

1.25892541

15.0444475

-8.6551116u

1.58489319

15.0444475

-10.8961398u

1.99526231

15.0444475

-13.7174277u

2.51188643

15.0444475

-17.2692179u

3.16227766

15.0444475

-21.7406582u

3.98107171

15.0444475

-27.3698659u

5.01187234

15.0444475

-34.4566210u

6.30957344

15.0444475

-43.3783131u

15.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044447515.044446815.044446815.044446815.044446915.044447015.044447115.044446615.044446315.044445415.044444815.044443415.044441315.044437615.044431715.044423315.044409315.044386915.044350915.044295315.0442062

7.9432823510.0000000012.5892541215.8489319219.9526231525.1188643231.6227766039.8107170650.1187233663.0957344579.43282347100.00000000125.89254118158.48931925199.52623150251.18864315316.22776602398.10717055501.18723363630.95734448794.32823472

1.00000000k

1.25892541k

1.58489319k

1.99526231k

2.51188643k

3.16227766k

3.98107171k

5.01187234k

6.30957344k7.94328235k10.00000000k12.58925412k15.84893192k19.95262315k25.11886432k31.62277660k39.81071706k50.11872336k63.09573445k

-54.6100615u

-68.7499949u-86.5511176u108.9614004u137.1742793u172.6921768u217.4065723u273.6986679u344.5661914u433.7831586u546.1006154u687.4999672u865.5111389u

-1.0896140m

-1.3717428m

-1.7269218m

-2.1740657m

-2.7369866m

-3.4456621m

-4.3378314m

-5.4610069m

-6.8750002m-8.6551119m-10.8961405m-13.7174278m-17.2692181m-21.7406584m-27.3698646m-34.4566182m-43.3783081m-54.6100491m-68.7499679m-86.5510585m108.9612810m137.1740313m172.6916801m217.4055933m273.6966956m344.5622438m433.7752833m

158.48931925k

15.0429273

-1.0894891

199.52623150k

15.0420385

-1.3714937

251.18864315k

15.0406299

-1.7264248

316.22776602k

15.0383991

-2.1730745

398.10717055k

15.0348654

-2.7350096

501.18723363k

15.0292713

-3.4417201

630.95734448k

15.0204197

-4.3299757

794.32823472k

15.0064266

-5.4453629

1.00000000x

14.9843422

-6.8438814

1.25892541x

14.9495683

-8.5933212

1.58489319x

14.8950183

-10.7737801

1.99526231x

14.8099391

-13.4761601

2.51188643x

14.6784156

-16.7965871

3.16227766x

14.4777810

-20.8238533

3.98107171x

14.1776087

-25.6168764

5.01187234x

13.7405937

-31.1720847

6.30957344x

13.1269495

-37.3888761

7.94328235x

12.3029068

-44.0530381

10.00000000x

11.2507989

-50.8611976

12.58925412x

9.9752452

-57.4890925

15.84893192x

8.5011802

-63.6724830

19.95262315x

6.8650378

-69.2582902

25.11886432x

5.1045630

-74.2090982

31.62277660x

3.2516690

-78.5756153

39.81071706x

1.3292659

-82.4605664

50.11872336x-649.2715511m

-85.9880767

63.09573445x

-2.6795662

-89.2810159

79.43282347x

-4.7654994

-92.4424422

100.00000000x

-6.9182417

-95.5357831

125.89254118x

-9.1542038

-98.5607973

158.48931925x

-11.4904723

-101.4294048

199.52623150x

-13.9368596

-103.9572096

251.18864315x

-16.4863334

-105.8946513

316.22776602x

-19.1096238

-107.0079185

398.10717055x

-21.7605042

-107.1775145

501.18723363x

-24.3917334

-106.4476598

630.95734448x

-26.9722354

-104.9820629

79.43282347k

100.00000000k

125.89254118k

15.0440652-546.0849237m

15.0438423-687.4685801m

15.0434883-865.4485719m

794.32823472X-29.4939701-102.9514691

I.OOOOOOOOg-31.9646259-100.4269566

电压增益只有15DB，带宽为8M，GBW=4.5X10八7<<10八9无法达到指标。

从推导中可以看到，无论增益还是带宽，都相对固定，改动的余地不大，再加上器件的宽长比有限制，所以在这种情况下要增加增益而不太多的牺牲带宽是不太可能的。

事实也证明用这样一级差分放大要达到指标还是相当困难的，多次修改参数后,任然没有达到理想的效果。

参考文献【2】中对这种情况进行了介绍。

2.5二级密勒补偿运算放大器

二级密勒补偿运放是一种性能相对优越的结构，由于采用两级放大，能够提供相当大的增益，而带宽可以通过RC反馈网络进行一定的调节，这样一来可以达到最大GBW。

于是采用如下电路对放大器进行设计。

VDD

（PIref1

Iref2

如图所示，PMOSM1、M2为一级差分放大，NMOSM3、M4做镜像电流源负载，PMOSM6为第二级放大。

电容Cc和电阻Rz构成密勒补偿。

二级密勒补偿运放的增益一般可以达到60db以上，本设计取增益为60db,带宽100M最简小信号等效电路如下：

Vd

o~o

+

得到

Ao

AIA2

又,

r。

取VGST2

VGST60-2V

Cc

｛卜

r

R,Ci=f=V，2jGm2V,2tR2Vo

gm1gm2（ro2IIro4）（ro6IIr0l）1000

ID

VGST

2

VGST2V3ST6（np）

A4105

在过驱动电压等于0.2V时，增益远满足设计要求。

设Ci、C2分别为第一、二节点的对地电容，则电路的传输函数为（注意：

没有

算上Rz）

Vo

Vin

Gm1（Gm2SCc）RiR2

2

asbs1

其中

a[C1C2

Cc（CiC2）]RR,

bCiRiC2R?

Cc（Gm2RiR2,

RR2）

则第一转折频率为

fd

100M

2RRzQCc（1GmR）]

2皐Gc

第二转折频率为

f.w—

2.7（GG+GQ十GQ）

rc电路其实为超前补偿装置，使电路的相角超前，电路零点为

将零点移至转折频率附近则能减缓增益下降的速率，这就相当于再增加了带宽。

由于相位有45°以上的要求，应使零点z位于1.2GBW处，并且让极点p2位于1.5GB处。

（参考文献

取Cc2pf,Cl

【11）

3PF

根据设计要求,

GBW-gm1

2Cc2性护Vgst14105100M

将所有的驱动电压都固定在0.2v，补偿电容已定

则取

（¥）1（¥）257

又因为

kWL（VgsVt）2

计算得出

lOOuA

WW

匚）3匚）412.56

ID300uA

为了实现相位补偿，让零点z位于1.2GB处。

因此，

RZCC

让极点p2位于1.5GB处，有

计算得|D6300uA（¥）637.5

2.6仿真结果

仿真网表见附录

VDD

Irefl

Iref2

Vo

CL

M6

GND

10人8。

结果如下：

****mosfets

subckt

x1

x1

x1

x1

element

1:

m1

1:

m2

1:

m3

1:

m4

model

region

0:

p_33

Saturation

0:

p_33

Saturation

0:

n_33

Saturation

0:

n_33

Saturation

id

-99.9999977u

-99.9999977u

99.9999981u

99.9999981u

vgs

vds

-1.0473706

-1.0926733

vth

subckt

element

-1.0473706

-1.0926733

-829.4162414m-829.4162414m

x1

1:

m6

954.6972789m

954.6972789m

655.5068344m

954.6972789m

954.6972789m

655.5068344m

model

0:

n_33

regionid

Saturation

599.9999862u

vgs

vds

954.6972789m

6.8990087

vth

657.0844360m

tnom=27.000temp=27.000

*two-stageopampacanalysis

freq

voltdb

voltphase

vo

vo

1.00000000

59.2376212

179.9995354

1.25892541

59.2376212

179.9994151

1.58489319

59.2376212

179.9992637

1.99526231

59.2376212

179.9990731

2.51188643

59.2376212

179.9988331

3.16227766

59.2376212

179.9985309

3.98107171

59.2376213

179.9981505

5.01187234

59.2376213

179.9976717

6.30957344

59.2376213

179.9970688

7.94328235

59.2376213

179.9963098

10.00000000

59.2376213

179.9953543

12.58925412

59.2376213

179.9941515

15.84893192

59.2376213

179.9926371

19.95262315

59.2376214

179.9907307

25.11886432

59.2376214

179.9883306

31.62277660

59.2376210

179.9853091

39.81071706

59.2376211

179.9815053

50.11872336

59.2376208

179.9767165

63.09573445

59.2376201

179.9706879

79.43282347

59.2376196

179.9630982

100.00000000

59.2376189

179.9535434

125.89254118

59.2376171

179.9415146

158.48931925

59.2376145

179.9263713

199.52623150

59.2376100

179.9073069

251.18864315

59.2376034

179.8833064

316.22776602

59.2375931

179.8530916

398.10717055

59.2375762

179.8150535

501.18723363

59.2375500

179.7671666

630.95