两级全差动运算放大器的设计.docx

1、两级全差动运算放大器的设计华中科技大学IC课程设计两级全差动运算放大器的设计年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 二零一一年十二月摘 要应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。可以满足一定的高速度、高精度的指标。两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。因此，优于一些传统的两级运算放大器。关键词：全差动运算放大器； 共源放大器； 折叠式放大器AbstractA fully diff

2、erential operational amplifier with a DC-gain of 86dB and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process.It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefore,it is

3、 better than some of the traditional operational amplifier. Keywords: fully differential operational amplifier; common-source amplifier; Folding amplifier摘 要 1Abstract 21.引言 32. 两级全差动运算放大器设计要求 43. 电路分析与设计 43.1.第一级运算放大器设计 53.1.1第一级差模电压增益 53.1.2.共模电压输入范围 63.1.3.第一级增益带宽积GBW 63.1.4.第一级MOS管宽长比 73.1.5.第一级

4、仿真结果 73.2.第二级运算放大器设计 83.2.1.第二级差模电压增益 83.2.2.偏置电压与偏值电流 83.2.3.增益带宽积与负载电容 93.2.4.第二级MOS管宽长比 93.2.5.第二级仿真结果 93.3.两级联仿 103.3.1.差分压摆率 103.3.2.静态功耗 113.3.3.等效输入参考噪声 113.3.4.相角裕度 123.3.5.两级联仿结果 124. 结论 13致 谢 13参考文献 14心得体会 141.引言随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成

5、为应用很广的电路单元。另外，差动输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此，本文讨论并设计了满足一定要求的差动输入差动输出（即全差动）运算放大器。2.两级全差动运算放大器设计要求根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18um CMOS工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：电源电压：1.8V第一级增益：20dB第一级GBW: 500MHz两级增益：80dB相位裕度：60o差分压摆率：200V/us等效输入参考噪声：200nV/1MHz负载电容：1pF静态功耗：尽可能小3.电路分析与设计首先，可

6、以对典型的差动输入差动输出运算放大器进行分析，通常运算放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。这些部分在电路工作的时候都起到了不同的功能。下面介绍一下全差动运算放大器各功能模块的作用。典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪声能力和失调性能。高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆幅。差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度增加了一倍。偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和温度而变化。为

7、了保证运放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大级）。但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。因此，我们最终还是要的运放的整体性能。3.1.第一级运算放大器设计首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下：图1 第一级放大电路3.1.1第一级差模电压增益由第一级放大电路，可以推算出：又因为，因此，3.1.2.共模电压输入范围已知电源电压=1.8V，并且只有当栅源电压大于开启电压，且时，场效应管才能工作于饱和区。因此，所以共模电压输入范围为，取=0.9V。3.1.3.第一级增益带宽积GBW要求第一级放大器的增益带宽为GBW=500MHz，我们取负载电容为=

8、0.4pf,根据公式:得到。因此，再根据公式：得到通过输入管的电流为,所以。再根据公式：得到3.1.4.第一级MOS管宽长比通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：MOS管W/mL/mMn1、Mn25.645u180nMipp、Mipn700u180nMp2900u1uMp1100u1u3.1.5.第一级仿真结果在设置参数如下时，可以得到第一级的波特图。从图上可以看到第一级的增益和增益带宽积为：因此，满足第一级的设计要求。图23.2.第二级运算放大器设计首先，把第二级运算放大器的电路图画出来，如下图：图3.第二级放大电路3.2.1.第二级差模电压增益

9、由第二级放大电路图，可以得到第二级差模电压增益为因为两级放大后的总增益要大于80dB，又知道第一级差模电压增益。因此，第二级差模电压增益。3.2.2.偏置电压与偏值电流由第二级放大的电路图，因为Vdd=1.8V，输入管与共源共栅管并联，我们假设每个管子平均分压为0.6V，那么可以简单地估算出管子Mp1、Mp3、Mn1它们的偏置电压分别为,。假设Mn1管提供的偏置电流为Iss，它为输入管与共源共栅管提供电流，提供给Mp1管的电流为I1,提供给Mp3的电流为I2，那么，。因此，折叠结构的运算放大器一般消耗更大的功耗。我们在本设计中取偏置电流为10uA。3.2.3.增益带宽积与负载电容由于第一级的增

10、益带宽积为500MHz，第二级的增益带宽积可以稍小于第一级的增益带宽积。由公式，其中为负载电容。所以3.2.4.第二级MOS管宽长比通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：MOS管W/mL/mMn1、Mn2400n1uMn3、Mn4800n400nMn5、Mn63u280nMp1、Mp2800n300nMp3、Mp45.38u300nMinp、Minn2u300n3.2.5.第二级仿真结果把参数设置如下进行仿真得到如图结果。我们可以看到第二级的差模电压增益为56dB,满足图43.3.两级联仿把第一级放大和第二级放大电路串联起来，得到两级联仿的电路图如

11、下：图5.两级联仿电路图3.3.1.差分压摆率差分压摆率，即转换速率，是当放大器在大信号输入时，输出电流的最大驱动能力，定义为利用上面的公式可以得到，第一级的转换速率:,其中为第一级放大器的负载电容，它实际上是管子寄生电容的总和。第二级的转化速率：，其中为补偿电容，为负载电容。所以，放大器的转换速率为因此，放大器的转换速率。3.3.2.静态功耗运算放大器的静态功耗为。其中为静态电流。如果静态功耗确定下来了，那么就可以确定整个电路的工作电流。因为设计要求要使静态功耗尽可能地小，又因为已经确定。因此，要使静态功耗尽可能地小，可以采取源极反偏法、双阈值法、多阈值法或变阈值法。3.3.3.等效输入参考噪声我们知道每一个MOS管都有一个可以等效到栅端的输入参考噪声，如图所示。图6.MOS管的噪声来源和等效输入参考噪声所以，它的等效输入参考噪声可以写成式中右边的第一项表示由于沟道电阻产生的热噪声在输入端的表现，第二项表示MOS管的闪烁噪声。由于第二级的噪声要除以第一级的增益才反映到输入端，因此会比较小，所以可以忽略不计。因此，整个电路的输入端噪声主要来自于第一级。所以，整个电路的输入端的等效参考噪声可以表示为