CMOS二级运算放大器设计.docx
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CMOS二级运算放大器设计
CMOS二级运算放大器设计
〔东南大学集成电路学院〕
一．运算放大器概述
运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT或FET的电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成局部。
它的主要参数包括：
开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二．设计目标
1.电路构造
最根本的S二级密勒补偿运算跨导放大器的构造如图1.1所示。
主要包括四局部：
第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
图1.1两级运放电路图
2.电路描述
电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。
M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。
M6提供应M7的工作电流。
M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。
相位补偿电路由M14和Cc构成。
M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。
3.设计指标
两级运放的相关设计指标如表1。
电源电压
0~5V
共模输入电压
固定在（VDD+VSS）/2
开环直流增益
≥80dB
单位增益带宽
≥30MHz
相位裕度
≥60degree
转换速率
≥30V/μs
静态功耗〔电流〕
≤1mA
负载电容
=3pf
表1两级运放设计指标
三．电路设计
第一级的电压增益：
（3.1）
第二级电压增益：
（3.2）
所以直流开环电压增益：
（3.3）
单位增益带宽：
（3.4）
偏置电流：
（3.5）
根据系统失调电压：
（3.6）
转换速率：
（3.7）
相位补偿：
（3.8）
以上公式推导过程简单，具体过程可参考相关专业书籍。
根据这些公式关系，经过手算得到一个大致的器件参数如表2。
M1
120/1
M9
3.2/1
M2
120/1
M10
6/1
M3
40/1
M11
6/1
M4
40/1
M12
24/1
M5
16/1
M13
6/1
M6
160/1
M14
20/1
M7
32/1
Cc
1.5pf
M8
3.2/1
RB
6K
表2二级运放器件参数
四．HSPICE仿真
根据已经计算好的器件参数，写成电路网表。
.titletest
.libE:
\h05mixddst02v231.libtt
vddvdd05
vssvss00
.subcktopampvnvpoutvddvss
m12vn11mpw=120ul=1u
m23vp11mpw=120ul=1u
m322vssvssmnw=40ul=1u
m432vssvssmnw=40ul=1u
m516vddvddmpw=16ul=1u
m6out3vssvssmnw=160ul=1u
m7out6vddvddmpw=32ul=1u
*biascircuit
m866vddvddmpw=3.2ul=1u
m976vddvddmpw=3.2ul=1u
m10678vssmnw=6ul=1u
m11779vssmnw=6ul=1u
m128910vssmnw=24ul=1u
m1399vssvssmnw=6ul=1u
rb10vss6k
*miller
cc4out1.5p
cloutvss3p
m14473vssmnw=20ul=1u
.ends
x1vnvpoutvddvssopamp*ADM
x2vpvpout1vddvssopamp*ACM
x3out2viout2vddvssopamp*SR
x4vnvnout3vdcvssopamp*pPSRR
x5vnvnout4vddvscopamp*nPSRR
vpvp0dc2.5ac1
vnvn0dc2.5
vivi0pulse（2320ns0.1ns0.1ns200ns400ns）
vdcvdc0dc＝5ac＝1v
vscvsc0ac＝1v
.acdec101k100meg
.trans1n400n
.ptintacv（vout）v（3）
.printtransv（out2）
.printacvdb（out）vp（out）
.printacvdb（out1）
.printacvdb（out3）
.printacvdb（out4）
.measureacGBWwhenvdb（out）=0
.measureacVPWwhenvp（out）=-120
.op
.end
1.直流增益、带宽和相位裕度
把ac信号全部放在一个输入端〔或正端或负端〕，使用Hspice分析输出增益和相位裕度。
差模放大测试电路如图4.2。
图4.2差模增益测试电路图
对应的网表是：
x1vnvpoutvddvssopamp*ADM
.printacvdb（out）vp（out）
将vac=1V，这样得到的输出电压值就是增益值，方便观察。
仿真得到的差模增益和相位裕度如下图。
分别扫描了100Mhz和1Ghz情况下的波形如图4.3和4.4。
图4.3100Mhz带宽扫描差模增益和相位波形
图4.41Ghz带宽扫描差模增益和相位波形
为了得到准确的直流增益值，单位增益带宽和相位裕度值，通过以下两条语句：
.measureacGBWwhenvdb（out）=0
.measureacVPWwhenvp（out）=-120
观察.lis文件，发现直流增益为80.4288dB，单位增益带宽为52.036Mhz，相位裕度为65degree。
共模放大测试电路如图4.5。
图4.5共模增益测试电路图
对应的网表是：
x2vpvpout1vddvssopamp*ACM
.printacvdb（out1）
共模增益波形如图4.6。
图4.6共模增益频谱图
共模增益在0dB以下说明具有较好的共模抑制。
共模抑制比方图4.7：
图4.7共模抑制比频谱图
共模抑制比到达83dB。
2.电源抑制比
图4.8为电源和地到输出增益的测试电路图，用差模增益除以电源增益即得电源抑制比。
图4.9为仿真得到的正、负电源抑制比，从图中可知，低频时正电源抑制比为98dB，负电源抑制比为89dB。
图4.8电源增益测试电路图
图4.9仿真的电源抑制比
3.压摆率
将运放接成单位增益负反应形式，如图4.10所示。
对输入施加正负阶跃信号，得到阶跃特性如图4.11所示，给输出负载充电时的压摆率为30.44V/μs，放电时的压摆率大约为44.78V/μs。
对应的网表：
x3out2viout2vddvssopamp*SR
vivi0pulse（2320ns0.1ns0.1ns200ns400ns）
.trans1n400n
.printtransv（out2）
图4.10压摆率测试电路图
图4.11仿真的瞬态建立特性
设计指标
实际值
开环直流增益
≥80dB
80.4288dB
单位增益带宽
≥30MHz
52.036Mhz
相位裕度
≥60degree
65degree
转换速率
≥30V/μs
30.44V/μs
静态功耗〔电流〕
≤1mA
300uA
负载电容
=3pf
3pf
通过比拟设计指标与实际值，满足系统要求的设计要求。
五．总结
进展模拟IC设计的第一步是根据要求确定需要的电路构造，第二步是掌握这种构造的原理和参数之间的联系，第三步根据指标手算电路参数，这个参数只是初步仿真值，可能无法到达系统指标，然后需要手工调整相关参数。
如果始终无法满足，就需要重新考虑电路构造是否适宜，初始参数设置是否适宜。
通过这些调整最终满足要求。
参考文献
[1]钟文耀.CMOS电路模拟与设计-基于Hspice[M].:
科学,2007.
[2]睿.二级密勒补偿运算放大器设计教程[M].:
复旦大学,2007
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