CMOS运算放大器设计优化方法研究-RFICGroup.PDFVIP

博士生学位专业课程—VLSI 设计方法 作者：唐长文 CMOS 运算放大器设计优化方法研究 2002 年 12 月 1 日 唐长文 zwtang@ 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室 摘要 本文论述了一种采用数学最优化方法－几何规划（Geometric Programming ）进行两级运 算放大器的管子尺寸参数优化的方法。 我们在设计一个确定结构的模拟电路中，许多设计约束条件和设计目标函数往往都是尺 寸参数（管子尺寸，偏置电流）的一个多项式函数。我们调管子尺寸参数的设计过程，其实 就是在满足所有设计约束的条件下，得到设计目标函数的一个解的过程。通常情况下，通过 手工计算和 SPICE 仿真相结合得到的解是一个局部最优解。而本文介绍了一种采用数学最 优化方法－几何规划（Geometric Programming ）来得到设计的全局最优解的方法。 首先，我们根据运算放大器设计要求（单位增益带宽、相位裕量、输入等效噪声、面积、 功耗等），通过 CMOS 运算放大器设计一般步骤得到所有设计约束条件不等式、约束等式和 目标函数。然后，将所有约束不等式、约束等式和目标函数转换成一个几何规划问题。最后， 采用数学优化求解方法－内点法求得一个全局最优解或者无解的结果。文章最后，我们给出 了设计要求和 SPICE 仿真的比较结果。 几何规划（Geometric Programming ）优化设计方法不只适合于两级运算放大器的设计， 它同样对于任何满足几何规划条件的问题都适合，比如 Cascode 运算放大器、LC 振荡器、 ∑∆调谐器、滤波器设计等等工程优化问题。 1 博士生学位专业课程—VLSI 设计方法 作者：唐长文 一、引言 大规模数字集成电路的设计过程是一个逻辑综合和自动布局布线的过程，该设计方法已 经非常成熟。然而模拟电路的自动综合和布局布线始终是我们梦寐以求的，EDA 技术发展 到至今，目前还没有一个成熟的模拟电路 CAD 解决方案。在研究领域，许多作者提出了各 种各样的优化算法，企图来解决模拟电路的自动综合技术。这些工作主要包括模拟电路图结 构、电路版图自动生成。本文论述的是一个对于特定结构的两级运算放大器进行管子宽长比 优化的方法。 我们在设计一个确定结构的模拟电路中，许多设计约束条件和设计目标函数往往都是尺 寸参数（管子尺寸，偏置电流）的一个多项式函数。我们调管子尺寸参数的设计过程，其实 就是在满足所有设计约束的条件下，得到设计目标函数的一个解的过程。通常情况下，通过 手工计算和 SPICE 仿真相结合得到的解是一个局部最优解。而本文介绍了一种采用数学最 优化方法－几何规划（Geometric Programming ）来得到设计的全局最优解的方法。 图 1、CMOS 两级运算放大器 1. 两级运算放大器 如图 1 所示，是一个两级 CMOS 运算放大器[1]。它包括一个差分输入级，一个驱动负 载电容 CL 共源放大级，和一个稳定跨导偏置电流电路。该运算放大器作为一个子电路广泛 用于模拟 VLSI 中，因此负载电容CL 往往是几个皮法，故省去了输出驱动级。 CMOS 两级运算放大器具有许多优点：高电压增益，轨到轨输出动态范围，大共模输入 范围，一个密勒补偿电容等等。 CMOS 两级运算放大器的主要缺点是，第二极点（非主极点）是由负载电容和第二级放 大器输出阻抗的乘积所确定。这就降低了整个运算放大器的带宽。另外一个缺点是运算放大 器存在一个右半平面的零点，该零点是由前馈通路中的补偿电容引起的。值得庆幸的是该极 点可以通过选择适当的补偿电阻 RC 来消除（文章第三部分将详细论述）。补偿电阻是采用一 个处于线性区的