两级全差动运算放大器的设计(10页).doc

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1、-两级全差动运算放大器的设计-第 8 页华中科技大学IC课程设计两级全差动运算放大器的设计年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 二零一一年十二月摘 要 应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。可以满足一定的高速度、高精度的指标。两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。因此，优于一些传统的两级运算放大器。关键词：全差动运算放大器； 共源放大器； 折叠式放大器AbstractA fu

2、lly differential operational amplifier with a DC-gain of 86dB and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process.It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefo

3、re,it is better than some of the traditional operational amplifier. Keywords: fully differential operational amplifier; common-source amplifier; Folding amplifier目录摘 要1Abstract21.引言32. 两级全差动运算放大器设计要求43. 电路分析与设计43.1.第一级运算放大器设计53.1.1第一级差模电压增益53.1.2.共模电压输入范围63.1.3.第一级增益带宽积GBW63.1.4.第一级MOS管宽长比73.1.5.第一级

4、仿真结果73.2.第二级运算放大器设计83.2.1.第二级差模电压增益83.2.2.偏置电压与偏值电流83.2.3.增益带宽积与负载电容93.2.4.第二级MOS管宽长比93.2.5.第二级仿真结果93.3.两级联仿103.3.1.差分压摆率103.3.2.静态功耗113.3.3.等效输入参考噪声113.3.4.相角裕度123.3.5.两级联仿结果124. 结论13致 谢13参考文献14心得体会141.引言随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。另外，差动输

5、出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此，本文讨论并设计了满足一定要求的差动输入差动输出（即全差动）运算放大器。2. 两级全差动运算放大器设计要求根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18um CMOS工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：电源电压： 1.8V第一级增益：20dB第一级GBW: 500MHz两级增益：80dB相位裕度：60差分压摆率：200V/us等效输入参考噪声：200nV/1MHz负载电容：1pF静态功耗：尽可能小3. 电路分析与设计首先，可以对典型的差动输入差动输出运算

6、放大器进行分析，通常运算放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。这些部分在电路工作的时候都起到了不同的功能。下面介绍一下全差动运算放大器各功能模块的作用。典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：相位补偿电路差分输入级高增益放大级 偏置电路输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪声能力和失调性能。高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆幅。差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度增加了一倍。偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和

7、温度而变化。为了保证运放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大级）。但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。因此，我们最终还是要的运放的整体性能。3.1.第一级运算放大器设计 首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下：图1 第一级放大电路3.1.1第一级差模电压增益由第一级放大电路，可以推算出：又因为，因此，3.1.2.共模电压输入范围 已知电源电压=1.8V，并且只有当栅源电压大于开启电压，且时，场效应管才能工作于饱和区。因此，所以共模电压输入范围为，取=0.9V。3.1.3.第一级增益带宽积GBW 要求第一级放大器的增益带宽为GBW=500MHz

8、，我们取负载电容为=0.4pf,根据公式:得到。因此，再根据公式：得到通过输入管的电流为,所以。再根据公式：得到3.1.4.第一级MOS管宽长比 通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：MOS管W/mL/mMn1、Mn25.645u180nMipp、Mipn700u180nMp2900u1uMp1100u1u3.1.5.第一级仿真结果在设置参数如下时，可以得到第一级的波特图。从图上可以看到第一级的增益和增益带宽积为：因此，满足第一级的设计要求。图23.2.第二级运算放大器设计首先，把第二级运算放大器的电路图画出来，如下图：图3.第二级放大电路3.2.

9、1.第二级差模电压增益 由第二级放大电路图，可以得到第二级差模电压增益为因为两级放大后的总增益要大于80dB，又知道第一级差模电压增益。因此，第二级差模电压增益。3.2.2.偏置电压与偏值电流 由第二级放大的电路图，因为Vdd=1.8V，输入管与共源共栅管并联，我们假设每个管子平均分压为0.6V，那么可以简单地估算出管子Mp1、Mp3、Mn1它们的偏置电压分别为,。假设Mn1管提供的偏置电流为Iss，它为输入管与共源共栅管提供电流，提供给Mp1管的电流为I1,提供给Mp3的电流为I2，那么，。因此，折叠结构的运算放大器一般消耗更大的功耗。我们在本设计中取偏置电流为10uA。3.2.3.增益带宽

10、积与负载电容由于第一级的增益带宽积为500MHz，第二级的增益带宽积可以稍小于第一级的增益带宽积。由公式，其中为负载电容。所以3.2.4.第二级MOS管宽长比通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：MOS管W/mL/mMn1、Mn2400n1uMn3、Mn4800n400nMn5、Mn63u280nMp1、Mp2800n300nMp3、Mp45.38u300nMinp、Minn2u300n3.2.5.第二级仿真结果把参数设置如下进行仿真得到如图结果。我们可以看到第二级的差模电压增益为56dB,满足图43.3.两级联仿把第一级放大和第二级放大电路串联起

11、来，得到两级联仿的电路图如下：图5.两级联仿电路图3.3.1.差分压摆率 差分压摆率，即转换速率，是当放大器在大信号输入时，输出电流的最大驱动能力，定义为利用上面的公式可以得到，第一级的转换速率: ,其中为第一级放大器的负载电容，它实际上是管子寄生电容的总和。第二级的转化速率： ，其中为补偿电容，为负载电容。所以，放大器的转换速率为因此，放大器的转换速率。3.3.2.静态功耗运算放大器的静态功耗为。其中为静态电流。如果静态功耗确定下来了，那么就可以确定整个电路的工作电流。因为设计要求要使静态功耗尽可能地小，又因为已经确定。因此，要使静态功耗尽可能地小，可以采取源极反偏法、双阈值法、多阈值法或变

12、阈值法。3.3.3.等效输入参考噪声我们知道每一个MOS管都有一个可以等效到栅端的输入参考噪声，如图所示。图6.MOS管的噪声来源和等效输入参考噪声所以，它的等效输入参考噪声可以写成式中右边的第一项表示由于沟道电阻产生的热噪声在输入端的表现，第二项表示MOS管的闪烁噪声。由于第二级的噪声要除以第一级的增益才反映到输入端，因此会比较小，所以可以忽略不计。因此，整个电路的输入端噪声主要来自于第一级。所以，整个电路的输入端的等效参考噪声可以表示为3.3.4.相角裕度 直接两级联仿的波特图如下，可以明确看到相角裕度出现了问题，因此，针对此问题可以利用电容来补偿。因此，将添加两个补偿电容:将补偿电容接入

13、后得到的仿真电路图为3.3.5.两级联仿结果因为设计要求要使负载电容小于1pF，因此，在做两级联仿时，将负载电容设为1pF。因此，满足设计要求。通过运用Hspice仿真,可以得到最后的仿真波特图如下：由上图可以得到，两级联仿的增益为86dB，相角裕度为83.6，GBW=360MHz，达到设计要求。4. 结论 通过修改各个管子的宽长比以及添加相位补偿电路，最后使第一级放大器的差模电压增益达到了30dB,增益带宽积超过了500MHz；使第二级放大器的差模电压增益达到了56dB；两级联仿时，整个电路的差模电压增益为86dB，相角裕度为83.6，GBW=360MHz，负载电容为1pF。因此，达到了设计

14、的要求。同时，也可以看出来两级全差动运算放大器比普通的两级运算放大器的电压增益高许多，这也是使用较为广泛的原因之一。但是，在降低静态功耗上还是出现了一些问题可以再做优化。致 谢在本文即将完成之际，谨此向我的助教表示衷心的感谢！在做课设期间，我们一共有三次答疑的机会，但因为有事而错过了第一次答疑。在后面的两次答疑中，我们的助教仔细耐心地给我们讲解如何使用Hspice，如何用Hspice编写网表。同时，在此期间助教也给了我们很多有用的资料。这些资料对我们来说非常重要，它不仅讲了编写网表的一些语法，还提供了一些例子。在对这些资料的自学和研究中慢慢地学会了。因此，我要感谢助教！其次，我要感谢我的队友，

15、他们两个也非常支持我的工作。每次我叫他们去答疑，他们都非常乐意。同时，在我们讨论的时候，他俩也比较积极。最后，我要感谢帮助过我的所有的老师和同学！参考文献1.何乐年，王忆，模拟集成电路设计与仿真M，北京：科学出版社，20082.魏廷存，陈莹梅，胡正飞，Analog CMOS IC Design模拟CMOS集成电路设计M，北京：清华大学出版社，2010.33.岳松洁，全差分运算放大器设计D，湖南大学，电子信息工程，2009心得体会刚开始的时候，我感觉IC课设是一件非常难的事。特别是知道自己抽到的题是模电的时候，我心中完全没底。因为之前只用过verilog编程做数电的设计，而从来没有接触过Hspi

16、ce，也不知道怎么写网表。因此，刚拿到题的那天下午，我就连忙在网上查找资料，但是收获不是很大，没找到多少有用的资料。主要原因是对这方面不是很了解，找资料的时候也不知道找哪方面的。在第二天，我又跑到图书馆去借了两本有关两级全差动运算放大器设计的书，还好在后面的学习中这两本书还是起到了非常大的作用。本来就不怎么懂得我又因为有事错过了第一次答疑，因而前一段时间基本上没怎么做，完全是在盲目地找资料，盲目地学习。因此，浪费了很多时间。第二次答疑的时候，我们组都去了，助教逯召静给我们几个抽到第八题的同学讲了讲怎么使用Hspice这个软件以及如何编写网表，同时也给我们了些资料让我们自学。因为我们第八题采用的

17、是0.18umCMOS工艺，因此，助教也把0.18um的一个库文件给了我们，叫我们先自己试着编写一下网表。在给我们的资料中，有一份教我们如何编写Hspice网表的资料非常有用。在编写网表之前，我先看了那份电子资料，上面讲的很仔细，对我的帮助很大。也全靠这份资料我才懂得了如何去写网表。经过一次大以后，再加上自己的学习感觉收获很大。在最后一次答疑时，助教又给我们演示了如何运用Hspice，如何编写网表来做分析，并且又给我们了些资料，也给我们了一个例子。通过对这些资料了研究，最后终于明白了，也感觉突然明朗了起来。原来编写网表是一件非常简单容易的事情，当然后面的调整宽长比、添加相位补偿电路等程序也就很轻松的。总结出一点就是只要肯花时间肯努力，没有解决不了的问题。其实，最让人头痛的是计算，比如说差分压摆率以及等效输入参考噪声等等，因为这些以前接触的不多，不是很熟悉，因而感觉很头大。但是，通过查找资料还是把它们的计算公式推导出来了。总的来说，这次IC课设我收获很多，不仅学到新的知识，让自己的视野更加广阔了，还在这个过程中提高了自学和独立研究的能力。