案例2-OTA運(yùn)算放大器的設(shè)計

1、簡單運(yùn)算放大器的設(shè)計1.運(yùn)算放大器的電路設(shè)計圖1所示是一個電容性負(fù)載的兩級CMOS基本差分運(yùn)算放大器。其中P1為運(yùn)算放大器的電流偏置電路，為了減小電源電壓波動的影響，改偏置電路采用了在改進(jìn)型威爾遜電流鏡電路中又增加了一個電阻R1的結(jié)構(gòu)；P2為運(yùn)算放大器的第一級放大器；P3為運(yùn)算放大器的第二級放大器。為使運(yùn)算放大器的工作穩(wěn)定，在第一級放大器和第二級放大器之間采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來消除第二個極點對低頻放大倍數(shù)、單位增益帶寬和相位裕度的影響。在運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)圖中，M1、M2、M3、M4、M5構(gòu)成PMOS對管作為差分輸入對，NMOS電流鏡作為輸入對管負(fù)載，PMOS管M5作為尾電流源的標(biāo)準(zhǔn)基本差分運(yùn)算放大

2、器；M6、M7構(gòu)成以PMOS管作為負(fù)載的NMOS共源放大器；M14（工作在線性區(qū)）和電容Cc構(gòu)成運(yùn)算放大器的第一級和第二級放大器之間的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；M9M13以及R1組成運(yùn)算放大器的偏置電路。運(yùn)算放大器的設(shè)計指標(biāo)如表1.其設(shè)計流程是：首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，手工估算電路中各晶體管的寬長比；然后在對其進(jìn)行仿真；通過反復(fù)的仿真和修改各個晶體管的參數(shù)，進(jìn)行電路參數(shù)的優(yōu)化，最終達(dá)到設(shè)計要求的性能指標(biāo)。表1 運(yùn)放性能指標(biāo)性能單位數(shù)值小信號低頻電壓增益V/V>80dB單位增益帶寬MHz>500MHz壓擺率V/uS>10 V/uS負(fù)載電容pF1相位裕度度>60P2P1P3圖1兩級CMOS基本差

3、分運(yùn)算放大器2. 運(yùn)算放大器的手工計算從該運(yùn)放設(shè)計所采用的工藝模型mm0355v.l中查得以下工藝參數(shù)：Kn=179.8A/V2 Vthn=0.55VKp=-63.8A/V2 |Vthp|=0.73V1）通過壓擺率SR求M5的漏極電流若米勒補(bǔ)償電容Cc=2pF，因為SR=ID5/Cc。要求SR>10V/S，假設(shè)SR=100V/S,ID5為M5的漏極電流，則：ID5=SR×Cc=100 V/S×2E-12=200A。由于流過M5的電流為200A，則流過M1、M2、M3和M4的電流為200A/2=100A。2）通過MOS管的飽和區(qū)和線性區(qū)的臨界過驅(qū)動電壓求M5的W/L寬長

4、比因為M5工作在飽和區(qū)，則VDS5(VGS5-|Vthp|),在線性區(qū)和飽和區(qū)的交界處的臨界過驅(qū)動電壓Veff5=VDS5= VGS5-|Vthp|,則：若共模輸出電壓的最大值的要求為2.1V。由于Vin(cm)max=VDD-Veff5-VGS1=3.5V,且VGS=Veff+|Vthp|。假設(shè)M5和M1管的臨界過驅(qū)動電壓相同，即Veff5=Veff1=Veff。則2.1=3.3-Veff-Veff-|Vthp|=3.3-2Veff-0.73，即Veff=0.47V，所以（W/L）5=28.383）通過MOS管的飽和區(qū)和線性區(qū)的臨界過驅(qū)動電壓求M6的W/L寬長比同理可得：假設(shè)ID6=ID5=

5、200A，且電路輸出的最大擺幅為3V，即VOUT（max）=3.0V=VDD-Veff6,所以Veff6=3.3-3.0=0.3V，所以（W/L）6=69.664）求M7的W/L寬長比輸出擺幅的最小值為VOUT（min）=0.3V=Veff7 則（W/L）7=24.725）求M3和M4的W/L寬長比為防止版圖的系統(tǒng)誤差，M7、M6、M5和M4的尺寸滿足： 則（W/L）3=（W/L）4=4.946）求M1和M2的W/L寬長比由于單位增益帶寬GBW=gm1/2Cc=127MHZ,則gm1=2×Cc×GBW=6.28×2e-12×127e6=1.597mS有因

6、為所以（W/L）1=（W/L）2=2007）求運(yùn)放偏置電路各晶體管的W/L寬長比運(yùn)放的偏置電流鏡電路采用與差分運(yùn)放尾電流比例為1/10的電流設(shè)置，則M8、M9、M10、M11和M12的W/L寬長比應(yīng)為M5的W/L寬長比的1/10。即：（W/L）8=（W/L）9=（W/L）10=（W/L）11=（W/L）12=2.83因為該偏置電流鏡電路中所有晶體管都工作在飽和區(qū)，根據(jù)NMOS的飽和薩氏方程，有VGS12=VGS13+R1IOUT，即若R=1K，則（W/L）13=2×2.83=5.663. 驗證手工計算的運(yùn)放的主要參數(shù)小信號低頻電壓增益（DCGain）第一級運(yùn)放放大倍數(shù)： 第二級運(yùn)放放

7、大倍數(shù)：其中，gm1和gm7分別為NMOS管M1和M7的跨導(dǎo)；gd2,gd4,gd6和gd7分別是M1,M4,M6和M7的輸出電導(dǎo)。并且有g(shù)m1=1.597mS, =1.333mS根據(jù)MOS管輸出電阻的經(jīng)驗公式，對于NMOS管，有rds=8000L(m)/Id(mA);對于PMOS管，有rds=12000L(m)/Id(mA).取所有MOS管的溝道長度為1m，則rds4=(8000×1)/0.1=80K；gds4=1/rds=0.0125mSrds7=(8000×1)/0.2=40K；gds7=1/rds=0.025mSrds2=(12000×1)/0.1=120

8、K；gds2=1/rds=0.0083mSrds6=(12000×1)/0.2=60K； gds6=1/rds=0.01667mS因此，運(yùn)放的小信號低頻放大倍數(shù)Au為Au=(gm1×gm7)/(gds4+gds2)×(gds6+gds7)=24562000Au（dB）=20log（Au）=68（dB）（4）運(yùn)算放大器的仿真結(jié)果和分析首先進(jìn)行運(yùn)算放大器直流分析的仿真，這個仿真的意義是為運(yùn)算放大器的每個MOS器件確定初步的靜態(tài)工作點。其目的是：1.保證同一支路各個MOS器件的漏源電壓分配合適，且所有的MOS器件要保證工作在飽和區(qū)；2.調(diào)節(jié)電流鏡，使電流鏡的輸出電壓大致

9、在1.6V2V范圍內(nèi)，第一級的輸出直流電壓在0.7V1V范圍內(nèi)，第二級的輸出直流電壓在1V左右。然后進(jìn)行運(yùn)放的小信號相頻和幅頻特性仿真，在仿真前，首先要家丁補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)NMOS管M14的尺寸。M14的寬長比（W/L）估算如下：有前面的假設(shè)條件和運(yùn)算放大器的設(shè)計指標(biāo)得到：網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容Cc=2pF，單位增益帶寬GBW=127MHz，則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電阻計算公式Rc=1/(1.2×cCc)=552用M14代替Rc電阻，M14必須工作在深線性區(qū)。由于M14的柵極接電源電壓VDD，只要控制M14的VDS足夠小，M14必然工作正在深線性區(qū)。這里，M14的VGS為（2.12.8）V左右，VDS接近于0V

10、，則M14工作在深線性區(qū)，根據(jù)MOS管深線性區(qū)導(dǎo)通電阻的計算公式=552得(W/L)14=23.21）運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓仿真通過仿真運(yùn)放的直流傳輸特性是測量其輸入失調(diào)電壓。運(yùn)放的電源電壓為3.3V，在開環(huán)狀態(tài)下，其反相端接1V的直流電壓，同相端加從0.5V到1.5V的直流掃描電壓，做DC仿真得到的運(yùn)放的直流傳輸特性如圖2所示，由圖可知，當(dāng)輸入電壓為1V-8mV時輸出電壓正好為1V,所以輸入失調(diào)電壓為8mV。圖2 運(yùn)放的直流傳輸特性分析2）運(yùn)放的共模輸入范圍 運(yùn)放的共模輸入范圍可通過觀測運(yùn)放的輸入輸出跟隨特性來獲得。運(yùn)放的電源為3.3V，將運(yùn)放的反相輸入端與輸出相連，構(gòu)成緩沖器；同相端加直流掃描

11、從0到3.3V，經(jīng)仿真得到的運(yùn)放輸入輸出跟隨特性如圖3所示，其輸入共模電壓范圍從0.7V到3.2V。 圖3 運(yùn)放的共模輸出范圍3）運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性 運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性是仿真運(yùn)放的輸出電壓最大值和最小值。正輸入端接1V的直流電壓，Vin輸入端加從0到3.3V的直流掃描電壓，經(jīng)仿真得到的運(yùn)放輸出電壓擺幅特性見圖4，運(yùn)放的輸出電壓擺幅是0.3到3.3V。圖4 運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性4) 運(yùn)放的小信號相頻和幅頻特性運(yùn)放的小信號相頻和幅頻特性是仿真運(yùn)放的開環(huán)小信號放大倍數(shù)及其相位隨頻率的變化趨勢，從而得到運(yùn)放的相位裕度和單位增益帶寬指標(biāo)，并進(jìn)一步鑒別運(yùn)放的放大能力、穩(wěn)定性和工作帶寬。此時，被分

12、析的運(yùn)放電路上對直流應(yīng)當(dāng)是負(fù)反饋閉環(huán)狀態(tài)，對交流應(yīng)當(dāng)是開環(huán)狀態(tài)。運(yùn)放的輸出端接1pF的負(fù)載電容，電源電壓為3.3V，共模輸入電壓1V。通過交流小信號分析，可以得到運(yùn)放的小信號相頻和幅頻特性如圖5所示。從仿真結(jié)果上看，運(yùn)放采用RC補(bǔ)償，在滿足單位增益帶寬的同時，能很好的調(diào)節(jié)相位裕度。運(yùn)放的低頻開環(huán)增益為62.8dB，單位增益帶寬為270MHz ，相位裕度為30度 。圖5 運(yùn)放的小信號相頻和幅頻特性5)運(yùn)放的輸出端壓擺率分析運(yùn)放的壓擺率是分析運(yùn)放在放大信號作用下的反應(yīng)速度。運(yùn)放的同相輸入端輸入1V到2V的脈沖信號，由Hspice對該電路做瞬態(tài)分析仿真得到的輸出波形見圖6.從圖中可以得到：輸出端由1

13、.31V階躍到3.3V，在輸出上升曲線的10%和90%處，其電壓分別為1.5V和3.1V；時間分別為31.5ns和38.8ns。運(yùn)放的壓擺率SR=(3.1V-1.5V)/(38.8ns-31.5ns)=219V/uS,滿足運(yùn)放的壓擺率指標(biāo)要求。10%處90%處圖6 輸出端壓擺率的分析（5）結(jié)論通過仿真得到的指標(biāo)如表2所示，其中部分指標(biāo)并沒有達(dá)到要求，說明設(shè)計過程中電路存在許多缺陷或者采取的電路硬件指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，需進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，電路的設(shè)計是一個設(shè)計仿真設(shè)計循環(huán)的過程，直到所設(shè)計的電路達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。表2 Hspice仿真得到的指標(biāo)性能單位數(shù)值是否達(dá)標(biāo)小信號低頻電壓增益V/V62dB否單位增益帶寬MHz

14、270否壓擺率V/uS219是負(fù)載電容pF1是相位裕度度30是(6)相關(guān)網(wǎng)表.Title Operational At.lib 'E:tsmclibmm0355v.l' tt.lib 'E:tsmclibmm0355v.l' res .unprot.option list post probe*2 stage amplifier*M1n1 in- n2 vdd pch w=200u l=1uM2n3 in+ n2 vdd pch w=200u l=1uM3n1 n1 gnd gnd nch w=5u l=1uM4n3 n1 gnd gnd

15、 nch w=5u l=1uM5n2 n4 vdd vdd pch w=30u l=1uM6vout n4 vdd vdd pch w=70u l=1uM7vout n3 gnd gnd nch w=25u l=1uM8n6 n4 vdd vdd pch w=3u l=1uM9n4 n4 vdd vdd pch w=3u l=1uM10n6 n6 n7 gnd nch w=3u l=1uM11n4 n6 n8 gnd nch w=3u l=1uM12n7 n8 gnd gnd nch w=3u l=1uM13n8 n8 n9 gnd nch w=6u l=1uM14 n5 vdd n3 gnd

16、 nch w=30u l=1uRr1 gnd n9 1KCc1 n5 vout 2pCc2 vout gnd 1p*Sources*Vddvdd 0 3.3Vin+in+ 0 1 ac 1 0Vin- in- 0 1 ac 1 180 .dc vin- 0 3.3 0.1.ac dec 10 1 1g.op.plot ac vm(vout) vdb(vout) vp(vout).probe dc v(vout) .probe .end*.Title Operational At.lib 'E:tsmclibmm0355v.l' tt.lib 'E

17、:tsmclibmm0355v.l' res .unprot.option list post probe*2 stage amplifier*M1n1 in- n2 vdd pch w=200u l=1uM2n3 in+ n2 vdd pch w=200u l=1uM3n1 n1 gnd gnd nch w=5u l=1uM4n3 n1 gnd gnd nch w=5u l=1uM5n2 n4 vdd vdd pch w=30u l=1uM6vout n4 vdd vdd pch w=70u l=1uM7vout n3 gnd gnd nch w=25u l=1uM8n6 n4 vdd vdd pch w=3u l=1uM9n4 n4 vdd vdd pch w=3u l=1uM10n6 n6 n7 gnd nch w=3u