CMOS二级运算放大器设计.docx

CMOS二级运算放大器设计 CMOS二级运算放大器设计 PAGE PAGE6 CMOS二级运算放大器设计 PAGE CMOS二级运算放大器设计 （东南大学集成电路学院） 一．运算放大器归纳 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 电子技术中最常有的电路，在某种程度上，可以把它看作一个近似于 BJT或FET的电子 器件。它是好多模拟系统和混杂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、成马上间与压摆率、 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 所示。主要包括四部分： 第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 图 两级运放电路图 2.电路描述 电路由两级放大器组成，M1~M4组成有源负载的差分放大器， M5供给该放大器的工 作电流。M6、M7管组成共源放大电路，作为运放的输出级。M6供给给 M7 M8~M13组成的偏置电路，供给整个放大器的工作电流。 相位补偿电路由  的工作电流。 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， 组成  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  0~5V 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 变换速率 ≥30V/μs 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： A1 Gm1R1 gm2(ro2||ro4) 第二级电压增益： A2 Gm2R2 gm6(ro6||ro7) 所以直流开环电压增益： Ao A1A2 gm2gm6(ro2||ro4)(ro6||ro7) 单位增益带宽： gm1 GBW AOfd 2Cc 偏置电流： 2 2 (W/L)12 1 IB (W/L)13 KPn(W/L)12RB2 依照系统失调电压： (W/L)3 (W/L)4 1(W/L)5 (W/L)6 (W/L)6 2(W/L)7 变换速率： SRmin IDS5, IDS7IDS5 CC CL  (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) (3.7) 相位补偿： (W/L)6 (W/L)11 gm6 1 (3.8) RCgm6 (W/L)13 gm1 (W/L)14 以上公式推导过程简单，详尽过程可参照相关专业书籍。依照这些公式关系，经过手 算获取一个大体的器件参数如表 2。 M1 120/1 M9 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 M8 RB 6K 表2二级运放器件参数 四．HSPICE仿真 依照已经计算好的器件参数，写成电路网表。 .titletest .libtt vddvdd05 vssvss00 .subcktopampvnvpoutvddvss m12vn11mpw=120ul=1u m23vp11mpw=120ul=1u m322vssvssmnw=40ul=1u m432vssvssmnw=40ul=1u m516vddvddmpw=16ul=1u m6out3vssvssmnw=160ul=1u m7out6vddvddmpw=32ul=1u *biascircuit m866vddvddmpl=1u m976vddvddmpl=1u m10678vssmnw=6ul=1u m11779vssmnw=6ul=1u m128910vssmnw=24ul=1u m1399vssvssmnw=6ul=1u rb10vss6k *miller cc4out cloutvss3p m14473vssmnw=20ul=1u .ends x1vnvpoutvddvssopamp *ADM x2vpvpout1vddvssopamp *ACM x3out2viout2vddvssopamp *SR x4vnvnout3vdcvssopamp *pPSRR x5vnvnout4vddvscopamp *nPSRR vpvp0dcac1 vnvn0dc vi0pulse(2320ns200ns400ns)vdcvdc0dc＝5ac＝1v vscvsc0ac＝1v .acdec101k100meg .trans1n400n .ptintacv(vo