模拟CMOS集成电路设计课程设计实验报告(二级放大器的设计).pdf

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1、模拟 CMOS 集成电路设计课程设计报告-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

2、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 6070 度 功耗 无要求 三、电路分析：1.电路结构：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。2.电路描述：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

3、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=ro

4、p1|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 gm=DILW)/(Cox2 (6)进行计算；而电阻 ro可由下式计算 ro=DI1 (7)其中为沟道长度调制系数且1/L。第一级输出节点到地的总电容 Cout1 Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN

5、2 （8）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：0)(CG2021121oiioutoutiidmVVsVsCRVV （10）0)(G202out222ioooutoimVVsCVsCRVV （11）联立（10）、（11）消去中间变量 Vi2得电路的传递函数为 1)(221021bsasRRsCGGVVoutoutmmido （12）其中 a=Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)Rout1Rout2 b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Ro

6、ut2)(13)由式（12）可得零点 020222CgCGfmnmZ （14）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 s1=-c/b,s2=-b/a。由此得两个实根分别为)R(1s21212022111outoutoutoutmnoutoutoutoutRRRgCRCRC (15)212102121212022112)()R(outoutoutoutoutoutoutoutoutoutmnoutoutoutoutRRCCCCCRRRgCRCRCs (16)于是电路的主极点)1(212220111outmnoutoutdRgCCRsf (17

7、)而次级点)(22020121022CCCCCCCgsfoutoutoutoutmnnd (18)由于 Cout2和 C0远大于 Cout1，而 Cout1中主要的部分为 CGSN2，Cout2中则以 CL为主，经过适当近似可得单位增益带宽为 01,002 CgfAGBWmpd (19)四、设计步骤：1）原理图绘制 根据设计好的电路图选择并添加需要的器件；将各个器件摆放好位置并连线；根据设计要求将 VDD设置成 1.1V，CL设置成 100fF，输入交流信号 5uV，1MHz；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：首先要保证PM2工作在饱和

8、区，P管的阈值电压VTHP在420mV左右要保证 VSGPVTHP，要求 VDD-VbVTHP，于是需要 Vb680mV，设置直流偏置 Vb=450mV；由于 PM2 是作为恒流源，所以其 L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；调节 PM0、PM1、NM0、NM1 使得第一级增益在 20d

9、B 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 C0用于相位补偿，调节 C0可以显著影响相位裕量；实验中 C0取不超过 500fF，不低于 100fF。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 C0并减小电阻 R 可以在保证带宽的情况下增大相位裕量，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）。