《CMOS》Project报告..doc

《CMOS模拟集成电路设计》---项目设计 CMOS模拟二级运算放大器设计 项目需求分析与方案论证 运算放大器，简称运放，是模拟电路中最为通用和基础的模块。运放一般由几部分构成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。 单级放大器中由输出管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级放大电路增益被抑制在放大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，为了缓解这种矛盾引进了两级运放，两级运放可以同时实现高增益和较大的输出摆幅。在两级运放中将这两点各在不同级实现。本项目运用的是二级运放来实现，其中大的增益靠第一级与第二级的级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级共源放大器来实现。 表1 设计目标和性能参数要求 参数种类 参数值 管子长度 ≥ 0.35um 管子宽度 ≥ 0.8um 负载电容 = 3pF 共模输入电压 （VDD +VSS）/ 2 开环直流增益 ≥ 60 dB 输出动态范围 [ 0.1(VDD - VSS)，0.9(VDD - VSS)] 共模抑制比 ≥45dB 单位增益带宽 ≥60dB 相位裕度 ≥45 degree 转换速率 ≥50 V/vs 静态功耗 ≤10 mW 面积 ≤10000um2 本项目选用的是LEVEL 1 SPICE参数模型 本项目所使用二级放大器电路图如下： 图1 二级放大器电路图 其中输入级放大电路由 M1～M5 组成，M1 和M2 组成PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载；M5 为第一级提供恒定偏置电流。输出级放大电路由M6、M7 组成，M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载，相位补偿电路由Cc 构成，电容Cc接在第二级输入输出之间，构成密勒补偿。 项目详细设计 静态分析 分别分析M1-M8 管： 对M1、M2 管有：时，M1 管也必须工作在饱和区（对一个MOS 管， 它处于饱和工作区的电压条件是： 从而可以推出以下不等式条件 对M3、M4 管，因为M3 的G、D 端互连，保证了M3 管永远工作在饱和区中。 而M4 管和M3 管完全对称，而且电流相等，从而也就保证了M4 管工作在饱和 区中。 对M5 管：分析可知，若太大，则减小，则M5 管将落入线性工作区。 因此必须保证时，M5 管仍工作在饱和区。分析得： 其中不等式的右边必须大于等于零，即 对于M6 管：时，必须保证M6 管工作在饱和区。从而得到以下不 等式： 对于M7 管： 时，M7 管必须处于饱和区。则可得： 6）对M8 管，因为V sg8 = V sd8，所以M8 管将无条件满足饱和工作条件。 输出摆幅 [ 0.1(VDD - VSS)，0.9(VDD - VSS)] 功耗 整个二级运放的静态功耗可以表示为： 一般情况下，可以利用PS ≤ PS,max的要求对运放进行性能优化，从而获得最小的静态功耗。 面积 直流开环增益 其小信号模型图如图2 图2 小信号模型图 图中，，，， ， 共模抑制比 共模抑制比KCMRR 根据CMRR的定义可以得到： 频率响应（单位增益带宽）及稳定性（相位裕度） 二级运放交流等效电路如图5 所示,根据节点电流得， 其中： 可以推出从而可以得到两个主要极点和一个零点： 低频极点，即主极点： ② 高频极点： ③ 零点： 由以上分析我们可以看到， C C 为极点分割电容，要使放大器稳定工作，最好使 加了补偿电容C C 之后，使p1 , p2 拉开，但同时也产生了零点，而且零点再S 平面的右半平面上，因而此零点产生的相移是滞后的，它与极点p1 , p2 所产生的滞后相移叠加，产生了较大的附加相移。 但是，若zGB，则z 可以忽略，不影响电路的稳定性。若zGB，则产生的这个零点将会使运放工作不稳定。 由于MOS 管的g m 较低，且CC 产生的z 不能忽略，当工作频率升高的时候，有可能使得运放的附加相移在未到达?180Ο 时，已经使负反馈变成了正反馈。 在低频时，电容C C 与放大器构成了积分电路，但是在高频时， C C 可以看成短路，则第二级的放大管可以看成D、G 相接的二极管，则.成为了第一级的负载。此时，而且相位与低频时相反。 二级效应的分析及处理（亚阈值、体效应） 在放大器正常工作情况下，必须保证每个管子在工作时远离亚阈值区，同时 也可以提高晶体管的匹配度，从而对每一个管子有如下条件限制： 在进行电路设计的时候，通常可以假设V overdrive,min 为某个值。（典