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模拟电路设计实验 CMOS两级共源运算放大器设计与仿真 【实验目的】 运算放大器的设计可以分为较为独立的两个步骤。第一步是选择或搭建运算放大器的基本结构，绘出电路原理图。一般来说，决定好了电路的结构以后，应避免更改，除非有些性能要求必须通过改变电路结构来实现。结构确定后要即要选择直流电流，手工设计管理尺寸，以及设计补偿电路等，这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。为了满足运算放大器的交流和直流要求，所有管子都应该先计算除合适的尺寸，然后在手工计算的基础上，运用计算机模拟点电路进行吊事和修改。 选用差分输入单端输出的两级共源放大器结构，通过设计过程讲理论运用到实际设计中，通过本设计对集成电路的设计与仿真有工程实际应用方面的认识。 第一步，选择或搭建运算放大器的基本结构，绘制出电路原理图。 第二步，选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电路等。 【实验原理】 本实验设计一个差分输入单端输出的两级共源放大器，其原理图如图3.27所示。第一级为带有镜像电流源负载的攻击放大器，要求M3和M4宽长尺寸相同，M1和M2宽长比尺寸相同。有源负载中只有一个晶体管采用二极管连接方式，电路时不对称的，半路方式不再适用。第二季为一个简单的共源级放大电路。 两级运算放大器的电路具有两个高阻结点A和B，也就是说电路存在两个主极点，因而降低了运算放大器的相位裕度。为了使运算器稳定工作，通常在两级运算放大器的第一级和第二级之间假如补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容C，通过补偿电容的反馈作用，把两个极点分开。 密勒补偿与稳定性分析 运算放大器一般以负反馈方式应用来获得一个很准确的转移函数。如果回路增益很高，则可用反馈网络精确控制前向转移函数。 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，一般运算放大器的相位裕度要求在60°左右。补偿电容的作用是削弱主极点的影响而扩大运算放大器的频宽。 电路设计 【实验内容】 根据设计指标要求，针对CMOS两级共源放大器结构io，分析计算各器件尺寸。 电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流和瞬态分析，熟练掌握各种分析的参数设计方法与仿真结构的查看方法。 电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指数。 整理仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告。 运算放大器指标要求：①驱动负载电容CL为500fF；②开环增益AW≧60dB；③增益带宽积GB≧40MHz;④转换速率SR≧20V/us;⑤ICMR=0.5-3V;⑥输出电压摆幅大于2.5V；⑦相位裕度45≦PM≦75。 【实验步骤】 1·各器件尺寸的设置 根据实验原理和设计指标要求，依照前述原理与流程进行计算并大致确定各管尺寸参数，表3.3给出了参考尺寸。 接下来，按照第二章第三章2.2节介绍的方法，在电路原理图编辑器中完成图3.33所示的运算放大器结构，并将计算好的各器件参数设置好。 2·CMR ICMR仿真 按第2章2.2节介绍的方法对输入信号在0-范围内进行直流分析，，测试输出电压能够跟随电压的范围，即为运算放大器的CMR，这种方法时建立在输出摆幅不影响输入范围的基础之上的。测得的随输入变化的波形的如图3.34所示，从图中可知，ICMR在0,26-3.0V的情况下运算放大器都能工作。但要使各管都工作在饱和区，要为。 3·输出摆幅仿真 按第2章2.2节介绍输出摆幅的测试方法，在0-范围内对电路进行直流分析。观察点波形，测试输出电压的线性跟踪范围，即为输出动态范围。做出直流分析之后，还应做瞬态分析加以验证。不断加大输入信号的幅度，直至输出信号有明显失真，此时输出电压的幅度即为输出动态范围。 测得的随输入的变化波形如图3.35所示，从图中可以看到，输出摆幅约在0.3-3V。大于2.5V，满足设计要求。 和GB及相位裕度仿真 按照第二章的介绍进行直流分析，取两个输入正弦信号和的直流偏置为1.6V，ACmagnitude为1V，相位差180°.测得的输出的AC20dB波形如图3.36所示，可知低频(小于200Hz)增益=64.04dB60dB,GB=45.01M40dB满足要求。可以看出，在45.4MHz处（0dB带宽处）的相位裕度为52.02°，满足设计要求45°≤PM≤75°. 5·转换速率SR的测试 建立时间是表示大信号工作时运算放大器性能的一个重要参数，指运算放大器接成跟随器（或增益为-1时的反向放大器）时，输入阶跃大信号，输出电压从开始响应到达稳定值时的时间。稳定值的误差范围一般在0.1%Vout。建立时间既反映了运算放大器的转换速率，又表征了其阻尼特性。仿真建立时间需要进行瞬时分析，在测试SR是应分别测出上升阶段的Sr+和下降阶段的Sr-，且应侧最大斜率。测得的波形如图3.37所示。可以看到，