OTA運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

1、.OTA運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)院系：信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)：集成電路工程 姓名：李揚(yáng) 23120091152677 鄭禮炳 23120091152684OTA運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)根據(jù)老師的要求，本例中的運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：工作電源電壓： 3.3V直流開(kāi)環(huán)增益: >80dB增益帶寬： >40MHZ擺率： >40V/us共模抑制比： >70dB共模輸入范圍： 02.4V負(fù)載電容CL： 1pF由于設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器的電壓增益在80dB以上，并且要求共模輸入范圍從0V開(kāi)始，故本設(shè)計(jì)采用了折疊式共源共柵電路和一個(gè)簡(jiǎn)單放大器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)所需的電路。電路結(jié)構(gòu)如下圖所示： 首先計(jì)算補(bǔ)償電容

2、Cc的最小值：Cc>(2.2/10)(1pf) =0.22pf在這里我們選定Cc為0.25pf因?yàn)閁GB=gm1/Cc，所以gm1=UGB*Cc=62.8us而gm12>10gm1，故gm12>628us我們可以用擺率算出I4和I5對(duì)于第一級(jí)放大器 SR1=I4/Cc對(duì)于第二級(jí)放大器 SR2=I5/CL所以I4>SR1*CcI5>SR2*CL解得I4>10uAI5>40uA我們選取I4=40uA I6=80uA可以給M0 、M1、M6、M7各分配20uA的電流，由gm=（2up*Cox*（w/l）*I）1/2由此我們可以得到W1/L1=W0/L0=2

3、W12/L12=45在設(shè)計(jì)中我們可以安排第一級(jí)放大器的增益為60dB，第二級(jí)放大器的增益為30dB，而第一級(jí)放大器的增益為：A1=gm1（gm11r11r09）|（gm7r07r04）=50dB（其中NMOS管溝道調(diào)制系數(shù)估算為0.1V-1，PMOS管溝道調(diào)制系數(shù)估算為0.2V-1）從而解得Gm7=gm11=101us再由跨導(dǎo)公式gm=（2up*Cox*（w/l）*I）1/2得W7/L7=W6/L6=1.4 W11/L11=W10/L10=4.7假設(shè)|VGS-VTH|=120mv,由飽和區(qū)電流公式I=1/2(up*Cox*（w/l）*( VGS-VTH)2)得W2/l2=101 W3/l3=W

4、4/L4=30 W6/l6=60由M13以及M9和M13的電流比可得W9/L9=W8/L8=12在填寫(xiě)各管子寬長(zhǎng)比時(shí)，考慮到后續(xù)版圖設(shè)計(jì)的匹配性，需要對(duì)前面的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一些微調(diào)。調(diào)整后管子的設(shè)計(jì)如下所示：W0/L0=1um/0.5um m=1W1/L1=1um/0.5um m=1W2/L2=5um/0.5um m=11W3/L3=5um/0.5um m=3W4/L4=5um/0.5um m=3W5/L5=5um/0.5um m=6W6/L6=0.75um/0.5um m=1W7/l7=0.75um/0.5um m=1W8/l8=1um/0.5um m=5W9/l9=1um/0.5um m

5、=5W10/l10=1um/0.5um m=3W11/l11=1um/0.5um m=3W12/l12=2.5um/0.5um m=9如果將零點(diǎn)移動(dòng)到左半平面，和輸出極點(diǎn)相抵消的話(huà)，可以增大帶寬及相位裕度，但是實(shí)際制造中，電阻值很難做到精確，因此實(shí)際應(yīng)用中只是使用一個(gè)大電阻將零點(diǎn)移動(dòng)到左半平面即可，因此在此我們選用電阻值為2k。各個(gè)寬長(zhǎng)比得到后，首先采用理想的電壓源和電流源對(duì)電路進(jìn)行偏置，然后進(jìn)行仿真。（1） 直流仿真，仿真電路圖如下圖所示： 其中W14/L14=W2/L2=5um/0.5um m=11,W15/L15=W4/L4=5um/0.5um m=3,I0=40uA，Vbias1=2V

6、，Vbias2=1.2V通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)M12的漏極電壓過(guò)高，所以我們加大M10、M11的寬長(zhǎng)比以調(diào)整M12的漏極電壓，這樣將M10、M11的寬長(zhǎng)比調(diào)整為W8/l8=1um/0.5um m=10W9/l9=1um/0.5um m=10（2） 偏置電路 直流仿真通過(guò)后我們用偏置電路代替理想的電壓源，偏置電路如下圖所示：通過(guò)調(diào)整寬長(zhǎng)比，使各個(gè)偏置電壓與用理想電壓源時(shí)的偏置電壓相等，最后得到的管子寬長(zhǎng)比如下所示：W15/L15=1um/0.5um m=12W16/L16=0.82um/0.5um m=1W17/L17=0.82um/0.5um m=1W18/L18=1.2um/0.5um m=1W19/

7、L19=1.2um/0.5um m=1W20/L20=1.2um/0.5um m=1W21/L21=0.5um/5.8um m=3W22/L22=0.5um/5.8um m=3I1=I2=4uA（3） 交流仿真 用偏置電路代替理想電壓源后，對(duì)電路進(jìn)行交流仿真，測(cè)量電路的直流增益和相位裕度，仿真電路如下圖所示：仿真結(jié)果如下圖所示： 帶寬與相位裕度都過(guò)小了，而且直流增益也小于80dB。通過(guò)查看可以發(fā)現(xiàn)M0、M1的跨導(dǎo)過(guò)小，所以我們應(yīng)該增大M0、M1的寬長(zhǎng)比。同時(shí)為了增加相位裕度，我們可以增加電阻r，調(diào)整后M0、M1的寬長(zhǎng)比為W0/L0=4um/0.5um m=1W1/L1=4um/0.5um m=

8、1。M10、M11、M6、M7的跨導(dǎo)過(guò)小，故對(duì)上述的管子進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)樵贛7與M3，及M6與M4之間存在一個(gè)高頻的極點(diǎn)，所以不便增大M6、M7的寬長(zhǎng)比，以防增大Cgs7而減小了極點(diǎn)的頻率。所以增大M10、M11的寬長(zhǎng)比以增大跨導(dǎo)。調(diào)整后的寬長(zhǎng)比為W10/l10=1um/0.5um m=8，W11/l11=1um/0.5um m=8，同時(shí)為了平衡直流工作點(diǎn)，對(duì)M8、M9、M12進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的寬長(zhǎng)比為W8/l8=1um/0.5um m=11、W9/l9=1um/0.5um m=11、W12/L12=2.5um/0.5um m=10，調(diào)整再次進(jìn)行交流仿真，仿真結(jié)果如下圖所示：直流增益為88dB

9、，相位裕度為60°。（4） 瞬態(tài)時(shí)域仿真衡量一個(gè)運(yùn)算放大器的時(shí)域特性主要是觀察運(yùn)放的階躍響應(yīng)，包括靜態(tài)誤差、超調(diào)亮、是否有振鈴等指標(biāo)。仿真電路如下圖所示:其中所加的單位階躍激勵(lì)源如下圖所示：仿真結(jié)果如下圖所示：對(duì)振鈴處放大如下圖所示：然后可以利用calculator中的“slewrate”函數(shù)計(jì)算擺率，calculator中的“slewrate”函數(shù)設(shè)置如下圖所示：計(jì)算結(jié)果如下圖所示：因?yàn)槲覀円獡Q算成V/us，所以要除以106，計(jì)算可得擺率為79V/us。（5）共模輸入范圍的測(cè)量因?yàn)檫\(yùn)算放大器通常用于閉環(huán)模式，所以這種情況下測(cè)量輸入共模范圍更加敏感，仿真電路圖如下圖所示;利用dc仿真

10、中的component parameter對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真條件設(shè)置如下圖所示:仿真結(jié)果如下圖所示：通過(guò)上圖我們可以看到在0-2.5V時(shí)輸出和輸入的比值為1，所以這個(gè)放大器的共模輸入范圍大于0-2.5V（6） CMRR的測(cè)量CMRR是放大器對(duì)輸入端共模信號(hào)的抑制能力，其計(jì)算表達(dá)式為CMRR=Avd/Avc其中Avd為差模增益，Avc為共模增益。實(shí)際中我們無(wú)需分別測(cè)出Avd、Avc，而只需要用如下所示電路圖進(jìn)行測(cè)試：仿真結(jié)果如下圖所示：由上圖可以看到此放大器的CMRR約為100dB。（7）生成一個(gè)symbol為了便于在其他電路圖中應(yīng)用此放大器，我們可以將其生成一個(gè)symbol，生成的symbo

11、l如下圖所示：IBIAS1=IBIAS2=4uA，VDD=3.3V（8）測(cè)量功耗使用上步生成的symbol對(duì)運(yùn)放的功耗進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量電路如下圖所示：用V1的電壓乘以其電流即可得到運(yùn)放的功耗，通過(guò)計(jì)算可以得到，其功耗為548uw。（9）總結(jié)此運(yùn)算放大器使用的是CSMC0.35um的CMOS工藝，采用了兩級(jí)折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，具體的寬長(zhǎng)比比如下所示：W0/L0=4um/0.5um m=1W1/L1=4um/0.5um m=1W2/L2=5um/0.5um m=11W3/L3=5um/0.5um m=3W4/L4=5um/0.5um m=3W5/L5=5um/0.5um m=6W6/L6=0.75um/0.5um m=1W7/l7=0.75um/0.5um m=1W8/l8=1um/0.5um m=11W9/l9=1um/0.5um m=11W10/l10=1um/0.5um m=8W11/l11=1um/0.5um m=8W12/l12=2.5um/0.5um m=10W15/L15=1um/0.5um m=12W16/L16=0.82um/0.5um m=1W17/L17=0.82um/0.5um m=1W18