Hspice二级运放仿真设计

时间：2025-05-04

hspice关于两级运放设计学习资料

CMOS二级运算放大器设计

一．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。

二．设计目标

1.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

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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≥30V/μs静态功耗（电流）

≤1mA负载电容

=3pf

表1两级运放设计指标

三．电路设计

第一级的电压增益：

A1 Gm1R1 gm2(ro2||ro4)

第二级电压增益：

A2 Gm2R2 gm6(ro6||ro7)

所以直流开环电压增益：

Ao A1A2 gm2gm6(ro2||ro4)(ro6||ro7)

单位增益带宽：

GBW AOfd

gm12 Cc

偏置电流：

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

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(W/L)12 2 IB 1 2 KPn(W/L)12RB (W/L)13

根据系统失调电压：

(3.5)

(W/L)3(W/L)41(W/L)5

(W/L)6(W/L)62(W/L)7

转换速率：

(3.6)

II I

SR min DS5,DS7DS5

CL CC

相位补偿：

(3.7)

RCgm6

(W/L)6

(W/L)14g(W/L)11

m6 1

(W/L)131.2gm1

(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。

M1M2M3M4M5M6M7M8

120/1120/140/140/116/1160/132/13.2/1

M9M10M11M12M13M14CcRB

表2二级运放器件参数

3.2/16/16/124/16/120/11.5pf6K

四．HSPICE仿真

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根据已经计算好的器件参数，写成电路网表。

.titletest.prot

.libE:\h05mixddst02v231.libtt.unprotvddvdd05vssvss00

.subcktopampvnvpoutvddvssm12vn11mpw=120ul=1um23vp11mpw=120ul=1um322vssvssmnw=40ul=1um432vssvssmnw=40ul=1um516vddvddmpw=16ul=1um6out3vssvssmnw=160ul=1um7out6vddvddmpw=32ul=1u*biascircuit

m866vddvddmpw=3.2ul=1um976vddvddmpw=3.2ul=1um10678vssmnw=6ul=1um11779vssmnw=6ul=1um128910vssmnw=24ul=1um1399vssvssmnw=6ul=1urb10vss6k*miller

cc4out1.5pcloutvss3p

m14473vssmnw=20ul=1u.ends

x1vnvpoutvddvssopampx2vpvpout1vddvssopampx3out2viout2vddvssopampx4vnvnout3vdcvssopampx5vnvnout4vddvscopamp

*ADM*ACM*SR

*pPSRR*nPSRR

vpvp0dc2.5ac1vnvn0dc2.5

vivi0pulse(2320ns0.1ns0.1ns200ns400ns)

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vdcvdc0dc＝5ac＝1vvscvsc0ac＝1v.acdec101k100meg.trans1n400n

.ptintacv(vout)v(3).printtransv(out2)

.printacvdb(out)vp(out).printacvdb(out1).printacvdb(out3).printacvdb(out4)