两级CMOS运算放大器设计与spectrum仿真.doc

LAB2 两级CMOS运算放大器的设计 图 1两级CMOS运算放大器 一：基本目标： 参照《CMOS模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS两级放大器，满足以下指标： 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　　　 　　　 相位裕度： 为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点： 单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用结构来极大地提高输出阻抗的值，但是结构中堆叠的MOS管不可避免地减少了输出电压的范围。因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。这样在结构增益与输出电压范围相矛盾。为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。 电源电流 100Μa 工作温度范围 0~70° 特性 要求 增益 增益带宽 5MHz 建立时间 摆率 ICMR CMRR 60dB PSRR 60dB 输出摆幅 输出电阻 无，仅用于容性负载 失调 噪声 100(1kHz时) 版图面积 5000 表1 典型的无缓冲CMOS运算放大器特性 二：两级放大电路的电路分析： 图中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流，同时M3，M4组成电流镜结构，相同的结构使得在x，y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图1所示，Cc为引入的米勒补偿电容。 0.5um Double Poly Mix CMOS process model 工艺参数 NMOS 0.7016 1.28E-8 404.257 PMOS -0.9508 1.24E-8 219.5 单位 表3 一些常用的物理常数 常数符号 常数描述 值 单位 室温下 自由空间介电常数 二氧化硅的介电常数 利用表2、表3中的参数 计算得到 第一级差分放大器的电压增益为： （1） 第二极共源放大器的电压增益为 （2）所以二级放大器的总的电压增益为 （3） 相位裕量有 要求60°的相位裕量假设RHP零点高于10GB以上 所以 即 由于要求的相位裕量 可得到=2.2pF 因此由补偿电容最小值2.2pF，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF考虑共模输入范围： 在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有 （4） 在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有 （5） 而电路的一些基本指标有 （6） （7） （8） （9） CMR: 正的CMR (10) 负的CMR (12)由电路的压摆率得到 =(3*10-12)()10*106)=30(为了一定的裕度，我们取。)则可以得到， 下面用ICMR的要求计算(W/L)3 11/1 所以有==11/1 由，GB=5MHz，我们可以得到即可以得到 用负ICMR公式计算由式（12）我们可以得到下式 如果的值小于100mv，可能要求相当大的，如果小于0，则ICMR的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小或者增大来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们等于-1.1V为下限值进行计算 则可以得到的进而推出 即有 为了得到60°的相位裕量，的值近似起码是输入级跨导的10倍（allen书p.211例6.2-1），我们设，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求，图中x，y点电位相同 我们可以得到 进而由我们可以得到直流电流 同样由电流镜原理，我们可以得到 三：指标的仿真和测量电路基本元件的网表 .libc:\synopsys\h05mixddst02v231.lib tt m1 x vin vn vss mn w=2u l=1u m2 y vin vn vss mn w=2u l=1u m3 x x vdd vdd mp w=11u l=1