CMOS二级运算放大器设计.docVIP

. . CMOS二级运算放大器设计 （东南大学集成电路学院） 运算放大器概述 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见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT 或 FET 的电子器件。它是许多模拟系统和混合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、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。 设计目标 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1.1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1.1 两级运放电路图 2.电路描述 电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。M6 提供给 M7 的工作电流。M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。 相位补偿电路由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，构成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 转换速率 ≥30 V/μs 静态功耗（电流） ≤1mA 负载电容 =3pf 表1 两级运放设计指标 电路设计 第一级的电压增益： (3.1) 第二级电压增益： (3.2) 所以直流开环电压增益： (3.3) 单位增益带宽： (3.4) 偏置电流： (3.5) 根据系统失调电压： (3.6) 转换速率： (3.7) 相位补偿： (3.8) 以上公式推导过程简略，具体过程可参考相关专业书籍。根据这些公式关系，经过手算得到一个大致的器件参数如表2。 M1 120/1 M9 3.2/1 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 1.5pf M8 3.2/1 RB 6 K 表2 二级运放器件参数 四．HSPICE仿真 根据已经计算好的器件参数，写成电路网表。 .title test .lib E:\h05mixddst02v231.lib tt vdd vdd 0 5 vss vss 0 0 .subckt opamp vn vp out vdd vss m1 2 vn 1 1 mp w=120u l=1u m2 3 vp 1 1 mp w=120u l=1u m3 2 2 vss vss mn w=40u l=1u m4 3 2 vss vss mn w=40u l=1u m5 1 6 vdd vdd mp w=16u l=1u m6 out 3 vss vss mn w=160u l=1u m7 out 6 vdd vdd mp w=32u l=1u * bias circuit m8 6 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m9 7 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m10 6 7 8 vss mn w=6u l=1u m11 7 7 9 vss mn w=6u l=1u m12 8 9 10 vss mn w=24u l=1u m13 9 9 vss vss mn w=6u l=1u rb 10 vss 6k * miller cc 4 out 1.5p cl out vss 3p m14 4 7 3 vss mn w=20u l=1u .ends x1 vn vp out vdd vss opamp *ADM x2 vp vp out1 vdd vss opamp *ACM x3 out2 vi out2 vdd vss opamp *SR x4 vn vn out3 vdc