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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：

2

(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)

.measureacGBWwhenvdb(out)=0.measureacVPWwhenvp(out)=-120.op.end

1.直流增益、带宽和相位裕度

把ac信号全部放在一个输入端（或正端或负端），使用Hspice分析输出增益和相位裕度。差模放大测试电路如图4.2

。

图4.2差模增益测试电路图

对应的网表是：

x1vnvpoutvddvssopamp

.printacvdb(out)vp(out)

*ADM

将vac=1V，这样得到的输出电压值就是增益值，方便观察。仿真得到的差模增益和相位裕度如图所示。分别扫描了100Mhz和1Ghz情况下的波形如图4.3和4.4。

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图4.3100Mhz

带宽扫描差模增益和相位波形

图4.41Ghz带宽扫描差模增益和相位波形

为了得到准确的直流增益值，单位增益带宽和相位裕度值，通过以下两条语句：.measureacGBWwhenvdb(out)=0.measureacVPWwhenvp(out)=-120

观察.lis文件，发现直流增益为80.4288dB，单位增益带宽为52.036Mhz，相位裕度为65degree。

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共模放大测试电路如图4.5

。

图4.5共模增益测试电路图

对应的网表是：

x2vpvpout1vddvssopamp.printacvdb(out1)

*ACM

共模增益波形如图4.6

。

图4.6共模增益频谱图

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共模增益在0dB以下说明具有较好的共模抑制。共模抑制比如图4.7

：

图4.7共模抑制比频谱图

共模抑制比达到83dB。

2.电源抑制比

图4.8为电源和地到输出增益的测试电路图，用差模增益除以电源增益即得电源抑制比。图4.9为仿真得到的正、负电源抑制比，从图中可知，低频时正电源抑制比为98dB，负电源抑制比为89dB

。

图4.8电源增益测试电路图

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图4.9仿真的电源抑制比

3.压摆率

将运放接成单位增益负反馈形式，如图4.10所示。对输入施加正负阶跃信号，得到阶跃特性如图4.11所示，给输出负载充电时的压摆率为30.44V/μs，放电时的压摆率大约为44.78V/μs。

对应的网表：

x3out2viout2vddvssopamp*SR

vivi0pulse(2320ns0.1ns0.1ns200ns400ns).trans1n400n.printtrans

v(out2)

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图4.10

压摆率测试电路图

图4.11仿真的瞬态建立特性

设计指标

开环直流增益单位增益带宽相位裕度转换速率静态功耗（电流）

负载电容

≥80dB≥30MHz≥60degree≥30V/μs≤1mA=3pf

实际值80.4288dB52.036Mhz65degree30.44V/μs300uA3pf

通过比较设计指标与实际值，满足系统要求的设计要求。

五．总结

进行模拟IC设计的第一步是根据要求确定需要的电路结构，第二步是掌握这种结构的原理和参数之间的联系，第三步根据指标手算电路参数，这个参数只是初步仿真值，可能无法达到系统指标，然后需要手工调整相关参数。如果始终无法满足，就需要重新考虑电路结构是否合适，初始参数设置是否合适。通过这些调整最终满足要求。参考文献

[1]钟文耀.CMOS电路模拟与设计-基于Hspice[M].北京:科学出版社,2007.

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[2]尹睿.二级密勒补偿运算放大器设计教程[M].上海:复旦大学出版社,2007