CMOS二级运算放大器设计

1、CMOS二级运算放大器设廿（东南大学集应电路学院）一. 拯算赦大器is述运算放大器是一个能将两彳、输人电压之差放大并输岀的集成电路。运算放大 器是模拥电子技术中最常见的电胳，在某种程度上，可以把它看成一个类做于 BJT或FET的电子器件。它是许多模«1系貌和混合信号系筑中的重要组成部分。它的主要参U0IS：开坏增益、单位増益带宽、相位同度、输人阳杭、输人 偏流、失调电压、漂務、喋声、输人共模号差模田、输岀驱动能力、建立时间与 压摆率、CMRR、PSRR以RSjft等。二. 设廿目标1电路结构最基本的s二级密勒补偿运算腐导故大器的结梅如图1.1所示。主要色括E! 部分：第一级输人级笊大

2、电路、第二级帧大电路、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赦大器组成，M1M4构成有源负我的差分故大器，M5提IftiL® 大器的工作电流。M6. M7管大电路，作为运放的输出级。M6提佻 给M7的工作电流。M8M13组成的偏置电路，提哄整个加大器的工作电流。相 位补偿电路由M14和Cc构成。M14I作在线性区，可等效为一个电阳，与电容 Cc 一起跨接在第二级输入输出之间，构BJRC密勒补偿。3. 披廿指标两级运赦的相关按廿指标如表1。电源电压05V共模输人电压同定在(VDD+VSS)/2开坏直浦增益M80dB单位增益带宽30MHz60degree转

3、换速率工30 V/ms静态功耗(电流)w1mA负我电容=3pf表1两级运®8it指标三. 电路披廿第一级的电压增益：Al=GmA=gm2(ro2 11 4)(31)第二级电压增益：A2 = Gm2R2 = gM6 II 7)©2)所以直流开坏电压增益：4 =丛=-g”2g,n6(a II S)(：6 » rol) (3.3)单位增益带宽：63©=人£=崇(3.4)偏置电流：2I(w/L)l2KPW/LRl(3.5)根据系境失调电压:(W/S_(W/D(W")5(3 6)(W/L)6_(VV/L)6_2(VV/L)/ -转换速率:【DS

4、7 DS5(3.7)相位补偿:2號得g+嘶以上公武推导过程简略，具体过程可参考相关专业书籍。根据这些公式关系,经ii手算得到一个大致的器件参数如表2。M1120/1M93.2/1M2120/1M106/1M340/1M116/1M440/1M1224/1M516/1M136/1M6160/1M1420/1M732/1Cc1.5pfM83.2/1Rb6KQ表2二级运故器件参数ffl. HSPICE DJ真根据已经廿算好的器件参数，写成电路网表。.title test.lib E:h05mixddst02v231.lib ttvdd vdd 0 5vss vss 0 0.subckt opamp

5、vn vp out vdd vss ml 2 vn 1 1 mp w=120u 1=1 u m2 3 vp 1 1 mp w=120u 1=1 u m3 2 2 vss vss mn w=40u 1=1 u m4 3 2 vss vss mn w=40u 1=1 u m5 1 6 vdd vdd mp w=16u 1=1 u m6 out 3 vss vss mn w=160u 1=1 u m7 out 6 vdd vdd mp w=32u 1=1 u* bias circuitm8 6 6 vdd vdd mp w=3.2u 1=1 u m9 7 6 vdd vdd mp w=3.2u 1=

6、1 u m10 6 78vssmn v/=6u 1=1 u m11 7 7 9 vss mn v/=6u 1=1 u m12 8 9 10vssmn w=24u 1=1 u m13 9 9 vss vss mn w=6u 1=1 u rb 10 vss 6k* millercc4 out 1.5p cl out vss 3p m14 4 7 3 vss mn w=20u 1=1 u .ends vp vp 0 de 2.5 ac 1x1 vn vp out vdd vss opamp x2 vp vp out1 vdd vss opamp x3 out2 vi out2 vdd vss opa

7、mp x4 vn vn out3 vdc vss opamp x5 vn vn out4 vdd vsc opamp"ADM"ACM*SR*pPSRR*nPSRRvn vn 0 de 2.5vi vi 0 pulse(2 3 20ns 0.1 ns 0.1 ns 200ns 400ns) vdc vdc0dc = 5ac = 1vvsc vsc 0 ac = 1v.ac dec 10 1k 100meg.trans 1n 400n.ptint ac v(vout) v(3).print trans v(out2).print ac vdb(out) vp(out).prin

8、t ac vdb(outl).print ac vdb(ou .print ac vdb(out4).measure ac GBW when vdb(out)=0.measure ac VPW when vp(out)=-120 .op.end1.直流増益、带宽和相位裕度把ac信号全部笊在一个输人端(或正常或负常)，使用Hspice分折输岀増益和相ESBo差模放大测试电路如图4.2。图4.2差模用益測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,这样得到的編岀电压值就是增益值，方便观察。仿真

9、得到的差模增益和相图所示。分别扫描了 WOMhz fll 1Ghz悄况下的波形如图4.3和4.4O图4.3100Mhz$宽扫描差模增益利相fiS®图4.41Ghz®宽扫描差模增益和柑位波形为了得到准确的直流増益值,单位增益带宽和相位福度値，通过以下两条语旬:.measure ac GBW when vdb(out)=0 .measure ac VPW when vp(out)=-120观察is文件，发现直流増益为80.4288dB,单位增益带宽为52.036Mhz,® 为 65degree0 title testac analysis tnoirF25. 000

10、ternp= 25. 000 *freq1.00000k1.25893k1.58489k1.99526kvolt dbout80.428880.342580.209280. 0058rr a rr/s-ivolt phase out-10.6762-13.3513-16.6355-20.6139CL CCdCyrgbw=5 2036E+07vp沪6. 3347E+07共模ia大測试电路如图4.5。图4.5共模增益测试电路图对应的阿表是:x2 vp vp out1 vdd vss opamp "ACM .print ac vdb(outl)共模增益波形如图4.6O图4.6共模增益頻谱图

11、共模壇益在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83dBo2电«««比图4.8为电源和地到输出增益的測试电路图,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、负电源抑翎比，从图中可知，低頫时正电源抑制比为98dB,负电涌ffll制比为89dB。图4.8电淞增益测试电路图4.9仿真的电涌抑闕比3.压摆率将运放接成单位増益负反债形式，如图4.10所示。对输人施加正负阶趺信号, 得到阶跃特性如图4.11所示，给输岀负我充电时的压櫻率为30.44V/MS,放电时的 压摆率大约为44.78 V/pSo对应的网表:x3 out2

12、 vi out2 vdd vss opamp *SRvi vi 0 pulse(2 3 20ns 0.1 ns 0.1 ns 200ns 400ns).trans 1n 400n.print trans v(out2)ro <jo VuE2J COout4.10压摆率測试电路图图4" IB真的瞬态建立特性设廿指标实际值开坏直浦增益>80dB80.4288dB单位增益带宽m30MHz52.036Mhz相位裕度60degree65degree转换速率m30V/us30.44 V/ M s静态功耗（电流）w1mA300uA负教电容=3pf3pf通过比较设计指标与实际值,満足系统要求的设it要求。五.总结进行模抓ic设it的第一步是根据要求确定需要的电路结沟，第二步是掌握 这种