CMOS二级运算放大器设计

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、第二级放

2、大电路、偏置电路和相位补偿电路。VDD第一圾第二绒11一M5GND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，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，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

3、 60degree转换速率 30 V/ 卩 s静态功耗（电流）hb-S Al80. 0058rt 斗 4-20- 6139HLS 六 Wygbw=5. 2036E+07vp沪6. 3347E+07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 outl vdd vss opamp*ACM.print ac vdb(outl)共模增益波形如图4.6。共模增益在OdB以下说明具有较好的共模抑制 共模抑制比如图4.7:共模抑制比达到83dB2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

4、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佃詰ffiijewi苟ww蚊 IgRt昭！S 毎攝 Q m w 5 D-5-1DO1004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/放电时的 压摆率大约为44.78 V/ us对应的网表：x3 out2 vi out2 vdd vss opamp *SRvi vi 0 pulse(2 3 20ns 0.1 ns 0.1 ns 200ns 400ns).trans

5、1n 400n .print trans v(out2)图4.10压摆率测试电路图设计指标实际值开环直流增益 80dB80.4288dB单位增益带宽 30MHz52.036Mhz相位裕度 60degree65degree转换速率 30 V/ 卩 s30.44 V/ 卩 s静态功耗（电流） 1mA300uA负载电容=3pf3pf通过比较设计指标与实际值，满足系统要求的设计要求31 trO t : n.hJ! bl crfi-vM.)图4.11仿真的瞬态建立特性五.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。