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1、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部分。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、输入共模与差模范围、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.电路结构最基本的 COMS 二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图1.1 所示。 主要包括四部分：第一级输入级放大电路、 第二级
2、放大电路、 偏置电路和相位补偿电路。图1.1 两级运放电路图名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2.电路描述电路由两级放大器组成， M1M4 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 提供给 M7 的工作电流。 M8M13 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
3、，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05V 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30 V/s 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：)|(422111oommrrgRGA(3.1) 第二级电压增益：)|(766222oommrrgRGA(3.2) 所以直流开环电压增益：)|)(|(76426221oooommorrrrggAAA(3.3) 单位增益带宽：c
4、mOCgAG B W2f1d(3.4) 偏置电流：名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 213122121)/()/()/(2LWLWRLWKPIBnB(3.5) 根据系统失调电压：756463)/()/(21)/()/()/()/(LWLWLWLWLWLW(3.6) 转换速率：LDSDSCDSCIICISR575,min(3.7) 相位补偿：12.1)/()/()/()/(1613111466mm
5、mCggLWLWLWLWgR(3.8) 以上公式推导过程简略， 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 RB6 K表 2 二级运放器件参数名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - -
6、 - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 四HSPICE 仿真根据已经计算好的器件参数，写成电路网表。.title test .lib E:h05mixddst02v231.lib tt vdd vdd 0 5 vss vss 0 0 .subckt opamp vn vp out vdd vss m1 2 vn 1 1 mp w=120u l=1u m2 3 vp 1 1 mp w=120u l=1u m3 2 2 vss vss mn w=40u l=1u m4 3 2 vss vss mn w=40u l=1u m5 1 6 vdd vdd mp w=1
7、6u l=1u m6 out 3 vss vss mn w=160u l=1u m7 out 6 vdd vdd mp w=32u l=1u * bias circuit m8 6 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m9 7 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m10 6 7 8 vss mn w=6u l=1u m11 7 7 9 vss mn w=6u l=1u m12 8 9 10 vss mn w=24u l=1u m13 9 9 vss vss mn w=6u l=1u rb 10 vss 6k * miller cc 4 out 1.5p cl out
8、 vss 3p m14 4 7 3 vss mn w=20u l=1u .ends x1 vn vp out vdd vss opamp *ADM x2 vp vp out1 vdd vss opamp *ACM x3 out2 vi out2 vdd vss opamp *SR x4 vn vn out3 vdc vss opamp *pPSRR x5 vn vn out4 vdd vsc opamp *nPSRR vp vp 0 dc 2.5 ac 1 vn vn 0 dc 2.5 vi vi 0 pulse(2 3 20ns 0.1ns 0.1ns 200ns 400ns) 名师归纳总结
9、 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - vdc vdc 0 dc5 ac1v vsc vsc 0 ac1v .ac dec 10 1k 100meg .trans 1n 400n .ptint ac v(vout) v(3) .print trans v(out2) .print ac vdb(out) vp(out) .print ac vdb(out1) .print ac vdb(out3) .print
10、ac vdb(out4) .measure ac GBW when vdb(out)=0 .measure ac VPW when vp(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：x1 vn vp out vdd vss opamp *ADM .print ac vdb(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图所示。分别扫描了100
11、Mhz 和 1Ghz 情况下的波形如图4.3 和4.4。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 4.3 100Mhz 带宽扫描差模增益和相位波形图 4.4 1Ghz 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：.measure ac GBW when vdb(out)=0 .measure ac VPW when vp(out)=-120 观察.
12、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 。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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：x2 vp vp out1 vdd vss opamp *ACM .print ac vdb(out1) 共模增益波形如图4.6。图 4.6 共模增益频谱图名师归纳总结 精品学习
13、资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 共模增益在 0dB 以下说明具有较好的共模抑制。共模抑制比如图 4.7：图 4.7 共模抑制比频谱图共模抑制比达到 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名师归纳总结 精品学习资料
14、- - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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馈形式， 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/s，放电时的压摆率大约为 44.78 V/s。对应的网表：x3 out2 vi out2 vdd vss opamp *SR vi vi 0 pulse(2 3 20ns 0.1ns 0.1ns 200ns 4
15、00ns) .trans 1n 400n .print trans v(out2)图 4.10 压摆率测试电路图名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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30 V/s 30.44 V/s 静态功耗（电流）1mA 300uA
16、负载电容=3pf 3pf 通过比较设计指标与实际值，满足系统要求的设计要求。五总结进行模拟 IC 设计的第一步是根据要求确定需要的电路结构，第二步是掌握这种结构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， 可能无法达到系统指标， 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结构是否合适，初始参数设置是否合适。 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 HspiceM. 北京: 科学出版社 , 2007. 2 尹睿.二级密勒补偿运算放大器设计教程M. 上海:复旦大学出版社 ,2007名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -