IC报告文档格式.docx

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NMOS管是输入管，PMOS管是电流源，作为负载使用，列直流方程求解放大器的工作点。

M21和M20都工作在饱和区，那么：

两个方程联立求解，可求出放大器的偏置电流和输出直流电平。

当漏极电流发生变化

时，MOS管只能通过调整漏源电压来适应电流的变化，设相应的漏源电压变化为

，那么：

由于

，得到：

则电流源M21负载上产生的输出电压的变化量为：

从上面的推导可以看到，使用电流源负载的共源放大器，当偏置电流发生变化的时候，其输出直流电平的变化幅度较大。

对放大器的输入偏置电平进行扫描，得到直流传输特性曲线如下图所示：

由上图可知：

使用电流源负载的放大器输出电压和电流的曲线变化都很陡，说明此结构放大器的输出直流电平很容易变化。

而从交流小信号的角度来看，输入电压变化很小，输出电压却变化的很快，这样的放大器具有较高的增益。

分析放大器的低频交流特性，PMOS管可以等效成电阻r21

分析放大器的高频特性，等效电路如下：

高频增益为：

该结构放大器的输出电阻很高，所以一般情况下输出节点产生的极点是放大器的主极点，放大器的带宽要窄一些。

该结构放大器除了具有高增益的特点外，它的输出信号范围也比较大，为保证放大器的输入管和负载管都工作在饱和区，输出信号的幅度范围为VIN-VTH20

VOUT

VDD-（|VBias|-|VTH21|）

分析加入密勒电容的作用：

由于该放大器为两级放大，具有双主极点放大器的最大问题是两个主极点距离太近，如果可以将它们分开，一个极点向低频移动，另一个极点向高频移动，则会改善放大器的频率响应，增大相位裕度，采用密勒补偿电路就是为了实现这一目的。

如图所示两级放大器框图，其中A1,A2分别是两级电路的电压增益，跨接在第二级放大器输入与输出之间的电容CC为密勒电容。

根据密勒定理：

电容CC等效到第一级输出节点Vint的电容是（1-A2）CC。

如果第二级电路的输入和输出反相，且具有较大的增益，那么在Vint点将出现一个很大的等效补偿电容，从而使得对应极点p1的频率下降，成为主极点。

与直接在节点上并联电容的方法相比，密勒补偿需要的补偿电容较小，节省芯片面积，使工艺得到优化。

电容CC等效到第二级输出节点Vout的电容是CC（A2-1）/A2，该极点p2反而向高频移动，这样便实现“极点分离”的目的。

对运算放大器整体进行分析：

小信号等效简化电路如下：

其中gm、R、C分别代表各级放大电路的等效跨导，输出节点上的电阻和电容。

由图列出以下方程组：

解得放大器的高频传输函数为：

式中，

部分正好是放大器的低频增益，其他部分表明密勒补偿后的电路包含两个极点和一个零点。

求解放大器的两个极点频率：

以Fig（a）电路图分析第一级和第二级电路输出节点的电阻、电容大小关系。

第一级电路的输出电阻都是两个工作在饱和区的MOS管沟道电阻的并联，R1和R2的量级相当。

第一级输出节点的电容来源于MOS管的寄生电容，C1的值比较小；

第二级输出节点的电容除了MOS管寄生电容外，还包含负载电容，通常C2的值比较大。

一般情况下，为使极点p1成为补偿后的主极点，Cm的值大于C1的值，因此有：

C1<

Cm<

C2,设密勒补偿后的极点频率满足ωp1<

<

ωp2,得出放大器的两个极点频率分别为：

化简得：

补偿后的极点p1表达式为上式ωp1，其电阻仍为R1，而电容从C1变成（gm2R2）Cm，所以极点p1向低频方向移动。

极点p2表达式为上式ωp2，其电容仍然是C2，而电阻从R2变成1/gm2,阻值减小，所以极点p2向高频方向移动。

密勒补偿前后极点的变化如下图所示，由于Cm的作用，极点发生分裂，放大器的相位裕度增加。

密勒补偿以较小的补偿电容实现了两个主极点的分离，使两级放大器第一级输出节点成为主极点，第二级输出节点成为非主极点。

可是，当放大器的负载电容增大时，这个非主极点将向低频移动，从而减小了相位裕度。

与此相反，增加单级放大器的负载电容则可以增大相位裕度。

从这一点来说，单机放大器的稳定性更好，题中两级放大器为实现稳定对系统环境的要求更高。

密勒电容Cm产生的零点为Z,计算Z：

计算Av：

则：

计算GB：

计算转换速率SR：

由以上公式可以看出：

CMOS运放的小信号性能取决于器件的直流变量和几何尺寸。

相对于双极器件电路，这给设计增加了一个自由度，即改变几何尺寸来达到设计要求。

例如：

通过W/L比值的设计，能保证题中M12及其他器件工作在饱和状态，达到线性放大的要求。

为得到匹配和对称，必须选择W10A/L10A=W10B/L10B，W11/L11=W12/L12。

如果强制VGS11=VGS20,则：

由于：

M12保持饱和状态的条件变为：

下图给出了在GB<

p2<

Z的条件下频率响应的一种可能图形：

对以上分析中用到的符号进行说明：

CGD10B为MOS管M10B的漏极密勒等效电容；

CGD12为MOS管M12的漏极密勒等效电容;

CBD为MOS管的漏极——衬底电容；

CGD为MOS管的漏栅电容；

CGS为MOS管的栅源电容；

r为MOS管的电阻，主要为漏源电阻，例：

r21表示rds（21）；

ID为漏极电流，小括号内对应MOS管标号；

K’N表示NMOS跨导系数；

K’P表示PMOS跨导系数；

g为跨导，括号内对应MOS管标号；

λ为沟长调制系数，括号内对应MOS管标号；

W为沟道宽度，括号内对应MOS管标号；

L为沟道长度，括号内对应MOS管标号；

gm1,gm2分别为两级的等效跨导；

C1,C2分别为两级输出节点上电容；

R1,R2分别为两级输出节点上电阻；

参考资料：

《电子技术基础--模拟部分（第五版）》——高等教育出版社

《微电子器件与IC设计基础（第二版）》——科学出版社

《CMOS集成电路设计》——西安交通大学出版社

《CMOS集成放大器设计》——国防工业出版社

《CMOS集成电路原理与应用》——国防工业出版社

《高频CMOS模拟集成电路基础（影印版）》——CAMBRIDGE