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--------二级运算放大器的设计
信息科学技术学院电子与科学技术系
一、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、设计任务:
设计一个二级运算放大器,使其满足下列设计指标:
工艺Smic40nm
电源电压v
负载100fF电容
增益20dB至少40dB
3dB带宽20MHz
输入小信号幅度5uV共模电平自己选取
输出共模电平自己选取
电路结构两级放大器
相位裕度60~70度
功耗无要求
三、电路分析:
:
最基本的二级运算放大器如下图所示,主要包括四部分:第一级
放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
:
输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1组成。
PM0和PM1构成差分输入对,使用差分对可以有效地抑制共模
信号干扰;NM0和NM1构成电流镜作为有源负载;PM2作为恒
流源为放大器第一级提供恒定的偏置电流。
第二级放大电路由NM2和PM3构成。NM2为共源放大器;
PM3为恒流源作负载。
相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成,跨接在第二级输
入输出之间,构成RC米勒补偿。
此外从电流电压转换角度来看,PM0和PM1为第一级差分
跨导级,将差分输入电压转换为差分电流。NM0和NM1为第一
级负载,将差模电流恢复为差模电压。NM2为第二级跨导级,
将差分电压信号转换为电流,而PM3再次将电流信号转换成电
压信号输出。
偏置电压由V0和V2给出。
对第一级放大电路:
构成差分对的PM0和PM1完全对称,故有
Gm1=gmp0=gmp1(1)
第一级输出电阻
Rout1=rop1||ron1(2)
则第一级电压增益
A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1||ron1)(3)
对第二级放大电路:
电压增益
A2=Gm2Rout2=-gmn2(ron2||rop3)(4)
故总的直流开环电压增益
A0=A1A2=-gmp0,1gmn2(rop1||ron1)(ron2||rop3)(5)
由于所有的管子都工作在饱和区,所以对于gm我们可以用公式
g=2Cox(W/L)I(6)
mD
进行计算;
而电阻可由下式计算
ro
r=1(7)
oI
D
其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L。
第一级输出节点到地的总电容
Cout1
()
Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN28
第二级输出节点到地的总电容
Cout2
Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL(9)
列出KCL方程:
V
GVi2sCVsC(VV)0(10)
m1idRout1i20i2o
out1
V
GVosCVsC(VV)0(11)
m2i2Rout2o0oi2
out2
联立()、()消去中间变量得电路的传递函数为
1011Vi2
VG(GsC)RR
om1m20out1out2(12)
Vas2bs1
id
其中
a=[Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)]Rout1Rout2
b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2)(13)
由式(12)可得零点
Gg
fm2mn2(14)
Z2C2C
00
再看式(12)分母部分,对于形如as2+bs+1=0的方程,如果有
两个实根并相距很远,有。由此得两个实根分别
s1=-c/b,s2=-b/a
为
1
s(15)
1CRCRC(gRRRR)
out1out1out2out20mn2out1out2out1out2
CRCRC(gRRRR)
sout1out1out2out20mn2out1out2out1out2(16)
2[CCC(CC)]RR
out1out20out1out2out1out2
于是电路的主极点
s1
f1(17)
d22R[CC(1gR)]
out1out10mn2out2
而次级点
sgC
f2mn20(18)
nd22(CCCCCC)
out1out2out10out20
由于和远大于,而中主要的部分为,
Cout2C0Cout1Cout1CGSN2Cout2
中则以为主,经过适当近似可得单位增益带宽为
CL
g
GBWA•fmp0,1(19)
0d2C
0
四、设计步骤:
1)原理图绘制
①根据设计好的电路图选择并添加需要的器件;
②将各个器件摆放好位置并连线;
③根据设计要求将设置成,设置成,输入交流

信号5uV,1MHz;
④初始设置所有管子的宽长比为50u/200n,输入直流偏置
300mV;
2)参数调节
第一级:
①首先要保证工作在饱和区,管的阈值电压在
PM2PVTHP420mV
左右要保证,要求,于是需要,
VSGP>VTHPVDD-Vb>VTHPVb<680mV
设置直流偏置;由于是作为恒流源,所以其
Vb=450mVPM2L
不能太小,设置L=600n,此时可通过仿真查看直流工作点,观察
到PM2漏极电压超过1V,工作在线性区,增大PM2、PM0、PM1、
NM0、NM1的宽长比,使得PM2工作在饱和区调节的过。程中
发现到一定程度后再调节宽长比影响不大但并未达到要求,调节
输入直流偏置至200mV,PM2工作在饱和区且流经PM2的电流
大于1mA;
②调节PM0、PM1、NM0、NM1使得第一级增益在20dB左右:
3)
4)直流和交流仿真图:
从以上三图也可以看出增益带宽和相位裕度是符合要求的。
5)第一级增益:
可以看出第一级增益在17dB左右。
6)直流工作点:
可见各个管子都正常工作。
综上:从仿真结果来看,二级运放设计成功。
五、实验心得和小结
本次实验最大的收获就是对cadence这个软件的操作有了更
为熟悉的了解,学会了怎样利用这款软件去仿真并计算其带宽、
增益、相位裕量等。除此之外实验过程中与同学和师兄的交流让
我对二级米勒运算放大器有了更加深刻的认识。总的来说,这次
课程设计很有意义。
六、思考题
1、两级放大器中电阻R的作用?取多大比较合适?
答:电阻R可以调节转移函数的零点位置,进行零极点补偿,调
节R可以调节带宽和相位裕量;R不宜过大也不宜过小,取百欧
量级比较合适。
2、两级放大器中米勒电容C的作用?取多大比较合适?
答:米勒电容用于相位补偿,调节可以显著影响相位裕量;
C0C0
实验中取不超过,不低于。
C0500fF100fF
3、在增益和3dB带宽不变的前提下,要增加相位裕度,该如何
调节电路?
答:增大电容并减小电阻可以在保证带宽的情况下增大相
C0R
位裕量,在对PM3和NM1的宽长比进行调节可以调节增益,保
证增益达到要求(增大PM3宽长比,减小NM1宽长比可以调节
NM1的分压,进而保证增益)。