CMOS二級運算放大器設(shè)計說明書

/CMOS二級運算放大器設(shè)計〔東南大學(xué)集成電路學(xué)院運算放大器概述運算放大器是一個能將兩個輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運算放大器是模擬電子技術(shù)中最常見的電路.在某種程度上.可以把它看成一個類似于BJT或FET的電子器件。它是許多模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中的重要組成部分。它的主要參數(shù)包括：開環(huán)增益、單位增益帶寬、相位閾度、輸入阻抗、輸入偏流、失調(diào)電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅(qū)動能力、建立時間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。設(shè)計目標(biāo)電路結(jié)構(gòu)最基本的COMS二級密勒補償運算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。主要包括四部分：第一級輸入級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補償電路。圖1.1兩級運放電路圖2.電路描述電路由兩級放大器組成.M1~M4構(gòu)成有源負載的差分放大器.M5提供該放大器的工作電流。M6、M7管構(gòu)成共源放大電路.作為運放的輸出級。M6提供給M7的工作電流。M8~M13組成的偏置電路.提供整個放大器的工作電流。相位補償電路由M14和Cc構(gòu)成。M14工作在線性區(qū).可等效為一個電阻.與電容Cc一起跨接在第二級輸入輸出之間.構(gòu)成RC密勒補償。3.設(shè)計指標(biāo)兩級運放的相關(guān)設(shè)計指標(biāo)如表1。電源電壓0~5V共模輸入電壓固定在<VDD+VSS>/2開環(huán)直流增益≥80dB單位增益帶寬≥30MHz相位裕度≥60degree轉(zhuǎn)換速率≥30V/μs靜態(tài)功耗〔電流≤1mA負載電容=3pf表1兩級運放設(shè)計指標(biāo)電路設(shè)計第一級的電壓增益：<3.1>第二級電壓增益：<3.2>所以直流開環(huán)電壓增益：<3.3>單位增益帶寬：<3.4>偏置電流：<3.5>根據(jù)系統(tǒng)失調(diào)電壓：<3.6>轉(zhuǎn)換速率：<3.7>相位補償：<3.8>以上公式推導(dǎo)過程簡略.具體過程可參考相關(guān)專業(yè)書籍。根據(jù)這些公式關(guān)系.經(jīng)過手算得到一個大致的器件參數(shù)如表2。M1120/1M93.2/1M2120/1M106/1M340/1M116/1M440/1M1224/1M516/1M136/1M6160/1M1420/1M732/1Cc1.5pfM83.2/1RB6K表2二級運放器件參數(shù)四．HSPICE仿真根據(jù)已經(jīng)計算好的器件參數(shù).寫成電路網(wǎng)表。.titletest.libE:\h05mixddst02v231.libttvddvdd05vssvss00.subcktopampvnvpoutvddvssm12vn11mpw=120ul=1um23vp11mpw=120ul=1um322vssvssmnw=40ul=1um432vssvssmnw=40ul=1um516vddvddmpw=16ul=1um6out3vssvssmnw=160ul=1um7out6vddvddmpw=32ul=1u*biascircuitm866vddvddmpw=3.2ul=1um976vddvddmpw=3.2ul=1um10678vssmnw=6ul=1um11779vssmnw=6ul=1um128910vssmnw=24ul=1um1399vssvssmnw=6ul=1urb10vss6k*millercc4out1.5pcloutvss3pm14473vssmnw=20ul=1u.endsx1vnvpoutvddvssopamp*ADMx2vpvpout1vddvssopamp*ACMx3out2viout2vddvssopamp*SRx4vnvnout3vdcvssopamp*pPSRRx5vnvnout4vddvscopamp*nPSRRvpvp0dc2.5ac1vnvn0dc2.5vivi0pulse<2320ns0.1ns0.1ns200ns400ns>vdcvdc0dc＝5ac＝1vvscvsc0ac＝1v.acdec101k100meg.trans1n400n.ptintacv<vout>v<3>.printtransv<out2>.printacvdb<out>vp<out>.printacvdb<out1>.printacvdb<out3>.printacvdb<out4>.measureacGBWwhenvdb<out>=0.measureacVPWwhenvp<out>=-120.op.end直流增益、帶寬和相位裕度把ac信號全部放在一個輸入端〔或正端或負端.使用Hspice分析輸出增益和相位裕度。差模放大測試電路如圖4.2。圖4.2差模增益測試電路圖對應(yīng)的網(wǎng)表是：x1vnvpoutvddvssopamp*ADM.printacvdb<out>vp<out>將vac=1V.這樣得到的輸出電壓值就是增益值.方便觀察。仿真得到的差模增益和相位裕度如圖所示。分別掃描了100Mhz和1Ghz情況下的波形如圖4.3和4.4。圖4.3100Mhz帶寬掃描差模增益和相位波形圖4.41Ghz帶寬掃描差模增益和相位波形為了得到準(zhǔn)確的直流增益值.單位增益帶寬和相位裕度值.通過以下兩條語句：.measureacGBWwhenvdb<out>=0.measureacVPWwhenvp<out>=-120觀察.lis文件.發(fā)現(xiàn)直流增益為80.4288dB.單位增益帶寬為52.036Mhz.相位裕度為65degree。共模放大測試電路如圖4.5。圖4.5共模增益測試電路圖對應(yīng)的網(wǎng)表是：x2vpvpout1vddvssopamp*ACM.printacvdb<out1>共模增益波形如圖4.6。圖4.6共模增益頻譜圖共模增益在0dB以下說明具有較好的共模抑制。共模抑制比如圖4.7：圖4.7共模抑制比頻譜圖共模抑制比達到83dB。電源抑制比圖4.8為電源和地到輸出增益的測試電路圖.用差模增益除以電源增益即得電源抑制比。圖4.9為仿真得到的正、負電源抑制比.從圖中可知.低頻時正電源抑制比為98dB.負電源抑制比為89dB。圖4.8電源增益測試電路圖圖4.9仿真的電源抑制比壓擺率將運放接成單位增益負反饋形式.如圖4.10所示。對輸入施加正負階躍信號.得到階躍特性如圖4.11所示.給輸出負載充電時的壓擺率為30.44V/μs.放電時的壓擺率大約為44.78V/μs。對應(yīng)的網(wǎng)表：x3out2viout2vddvssopamp*SRvivi0pulse<2320ns0.1ns0.1ns200ns400ns>.trans1n400n.printtransv<out2>圖4.10壓擺率測試電路圖圖4.11仿真的瞬態(tài)建立特性設(shè)計指標(biāo)實際值開環(huán)直流增益≥80dB80.4288dB單位增益帶寬≥30MHz52.036Mhz相位裕度≥60degree65degree轉(zhuǎn)換速率≥30V/μs30.44V/μs靜態(tài)功耗〔電流≤1mA300uA負載電容=3pf3pf通過比較設(shè)計指標(biāo)與實際值.滿足系統(tǒng)要求的設(shè)計要求?？偨Y(jié)進行模擬IC設(shè)計的第一步是根據(jù)要求確定需要的電路結(jié)構(gòu).第二步是掌握這種結(jié)構(gòu)的原理和參數(shù)之間的聯(lián)系.第三步根據(jù)指標(biāo)手算電路參數(shù).這個參數(shù)只是初步仿