6两级CMOS运算放大器设计(课件7).ppt

1、1,两级CMOS运算放大器设计,西安电子科技大学微电子学院 刘帘曦,西安电子科技大学,2,两级CMOS运算放大器设计,一、运放的概念、组成与电路结构 二、两级运放的频率补偿 三、两级运放的设计方法 四、两级运放的仿真和测试 五、两级运放的版图设计,西安电子科技大学,3,一、运放的概念、组成与电路结构,西安电子科技大学,运算放大器（简称运放）是模拟电路和混合信号电路中最主要的电路模块之一。将运算放大器配以各种辅助电路，则可以实现对输入信号的放大、微分、积分、求积、对数等运算功能； 理论上说，运放的差模电压增益为无限大，输入电阻也是无限大，输出电阻为零，但实际的运放的性能只能接近这些值 ； 运放作

2、为一种有足够正向增益的放大器，当加上负反馈时，其闭环转移函数与运放增益无关 ；,4,两级CMOS运算放大器的提出,西安电子科技大学,差分放大器可以称为一级运算放大器，其电路的增益由输入对管的跨导与输出电阻的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益 ； 共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路的输出摆幅 ；,5,CMOS两级运算放大器的基本特性（性能指标）,直流开环增益（DC Open-Loop Gain） 70dB 单位增益带宽（Unit-Gain Bandwidth） 5MHz 相位裕度（Phase Margin） 4560dB 共模抑制比（CMRR） 60dB 输出电压摆

3、幅（Output Voltage Swing） 1.5V 芯片面积（Silicon Area）,西安电子科技大学,6,CMOS运算放大器的基本分类,西安电子科技大学,两级CMOS运算放大器 套筒式共源共栅CMOS运算放大器（单级） 折叠共源共栅CMOS运算放大器（单级） Rail-to-Rail CMOS运算放大器 Chopper CMOS运算放大器,7,两级CMOS运算放大器的基本结构,西安电子科技大学,M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等; 两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极点，因而降低了运放的相位裕度; 为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第

4、二级之间中加入补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过补偿电容的反馈作用，把两个极点拉开。,（a） 无补偿运放 （b）有补偿运放,8,二、两级运放的频率补偿,西安电子科技大学,运放一般用在负反馈结构中，在此结构中，相当高而又不确定的开环增益和反馈一起作用，可以获得一个很准确的转移函数，它是含有反馈元件的函数 下图表示了一种通用的负反馈结构，图中A是放大器增益，通常是运放的开环差分电压增益，F是从运放的输出通过负反馈，回到输入的转移函数 如果直流开环增益A(0)在1000到2000之间，而F(0)1，则前向增益在0.999到0.9995之间变化。如果回路增益很高，则

5、可用反馈网络来精确控制前向转移函数。这就是运放的应用原理。,反馈系统,9,两级CMOS运放的稳定性分析,西安电子科技大学,反馈信号必须满足一定的相位和幅值条件，以避免信号产生再生现象，即满足下式：（如果出现了再生，就可能使运放产生振荡 ）,其中0定义为：,上述条件也等价为：,0定义为：,10,两级CMOS运放的稳定性分析,西安电子科技大学,也就是说，稳定性是由单位开环增益的相位值决定的，即由相位裕度决定。所以系统稳定性的重要体现就是运放的相位裕度较大，一般运放的相位裕度要求在60o左右。,11,无补偿两级运放的小信号模型,西安电子科技大学,无补偿运放的二阶模型，为使结果通用，用角标I表示第一级

6、的元件，角标II代表第二级的元件;,其中R（R）是从运放的第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电阻，C（C）是从运放地第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电容。,传输函数 ：,两个极点的位置：,12,有补偿两级运放的小信号模型,西安电子科技大学,一般情况下，两个极点相距比较近，使运放的相位裕度小于45，从而导致运放工作不稳定，因此在应用中必须进行补偿。,补偿电容CC的作用是削弱主极点的影响而扩大运放的频宽，由于补偿电容CC的引入，运放的传输函数变为,两个极点变为,13,补偿电容CC对两级运放的极点零点的影响,西安电子科技大学,补偿电容CC在右半平面（RHP）引入了 一个零点Z,若CC，

7、且CC C,14,三、两级运放的设计方法,第一步根据用途和要求选择和确定运放的基本结构，做出一个描述全部晶体管互连的图。一般情况下，结构在整个设计过程中是保持不变，但有时需要调整一下结构来改变某些方面的特性。 一旦结构选好之后，就必须确定电路的直流电流，然后开始计算晶体管和补偿元件的大小，大部分工作是在第二步完成的，所作的工作是仔细计算器件的尺寸以满足设计的交流和直流要求。 在设计之前需要考虑以下几个方面的条件：（1）工艺要求（VT，K，Cox等）；（2）电源电压、电流及其范围；（3）工作温度和范围； 设计运算放大器时主要的一些参数如下：（1）直流开环增益AV；（2）增益带宽GB；（3）建立时

8、间Tset；（4）转换速率SR；（5）共模输入范围CMR；（6）共模抑止比CMRR；（7）电源抑制止比PSRR；（8）输出电压摆幅；（9） 失调及噪声,西安电子科技大学,15,三、两级运放的设计方法,西安电子科技大学,设计运放之前需要确定的电学参数(可选)：,16,两级CMOS运算放大器的一些重要公式,西安电子科技大学,17,两级CMOS运算放大器的设计步骤（1）,设计步骤从选定电路中所用MOS器件的长度入手，此长度决定了沟道长度调制参数，这是计算增益必不可少的参数。选定了标准MOS晶体管器件长度后，下一步是确定最小补偿电容CC，配置一个比GB高2.2倍的负载极点P2可得到60度的相位裕度，即

9、极点和零点的位置要求CC的最小值为(设Z10GB),西安电子科技大学,下一步，根据转换速率的要求计算最小尾电流I5，即,如果没有给定转换速率SR，则可以按建立时间TSET的要求来选值选一个约比建立时间快10倍的值，并设输出摆幅约为电源的一半，如此求得的I5以后还可根据要求进行修正。,18,两级CMOS运算放大器的设计步骤（2）,西安电子科技大学,用共模电压范围来确定M3的宽长比，即,如果(W/L)3的值小于1，就必须增加此值并使W和L乘积最小，这是为了减小了栅区的面积，也减小了栅电容。此电容会影响极点零点对，使相位裕度减小一点。,从CC和GB的表达式来确定输入晶体管的跨导，可以用下面方程来计算

10、跨导gm2,从而可直接求得输入晶体管M2的宽长比,19,两级CMOS运算放大器的设计步骤（3）,西安电子科技大学,下面计算M5的饱和电压：,若VDS5100mV，则可能会使(W/L)5过大，这是不可接受的。若VDS50V，则说明所确定的共模范围CMR的技术规范太严了。为此，我们可以减小I5或增加(W/L)1。注意，应考虑条件改变后对前面设计步骤的影呐。这样反复迭代，直到获得满意的结果。由求得的VDS5及(W/L)5为,要得到60度的相位裕度，应假设负载极点位于GB的2.2倍处。由此及p2关系式，可求出跨导gm6,20,两级CMOS运算放大器的设计步骤（4）,西安电子科技大学,最后检查运放的总增

11、益,如果增益太低，许多参数还可再做调整。,21,运放的性能与器件、电流之间的关系,西安电子科技大学,在完成以上计算和设计后，可以采用Spice仿真软件进行仿真验证。,22,四、两级运放的仿真和测试,西安电子科技大学,23,共模输入电压的仿真和测试,西安电子科技大学,对输入信号在0Vdd范围内进行DC分析，测试输出电压能够跟随输入电压的的范围，即为运放的共模输入范围，这种方法是建立在输出摆幅不影响输入范围的基础之上的。,24,系统输出失调电压的仿真和测试,西安电子科技大学,定义：实际运放中，当输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及电路本身的偏差，使得输出不为零，而为一 较小值 ，该值为输出失调电压。,25,SR和TSET、VOS的仿真和测试,西安电子科技大学,26,PSRR和CMRR的仿真和测量（书）,27,PSRR的仿真和测量,当双电源供电时，电路的参考点电位一般是零电位点（GND），此时应分别给出正、负电源Vdd和Vss的PSRR；而对单电源供电情况，电路的参考点电位一般是GND，此时只要给出电源电压的PSRR即可。 正电源电压用PSRR+，负电源电压用PSRR表示。,28,CMRR的仿真和测量,定义：CMRR即为差模电压增益与共模电压增益之比，并用对数表示。 CMRR = 20log(Aid / Acm) CMRR越大，则运放的对称性越好。 Vi取 幅度为1V且偏