模擬CMOS集成電路設計課程設計實驗報告(二級放大器的設計)

1、模擬CMOS集成電路設計課程設計報告 -二級運算放大器的設計 信息科學技術學院電子與科學技術系一、概述： 運算放大器是一個能將兩個輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運算放大器是模擬電子技術中最常見的電路，在某種程度上，可以把它看成一個類似于BJT 或 FET 的電子器件。它是許多模擬系統(tǒng)和混合信號系統(tǒng)中的重要組成部分。 它的主要參數包括：開環(huán)增益、單位增益帶寬、相位閾度、輸入阻抗、輸入偏流、失調電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅動能力、建立時間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。二、設計任務：設計一個二級運算放大器，使其滿足下列設計指標：工藝Smic40nm電源電壓1.1v負載1

2、00fF電容增益20dB至少40dB3dB帶寬20MHz輸入小信號幅度5uV 共模電平自己選取輸出共模電平自己選取電路結構兩級放大器相位裕度6070度功耗無要求三、電路分析：1.電路結構：最基本的二級運算放大器如下圖所示，主要包括四部分：第一級放大電路、第二級放大電路、偏置電路和相位補償電路。2.電路描述：輸入級放大電路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1組成。PM0和PM1構成差分輸入對，使用差分對可以有效地抑制共模信號干擾；NM0和NM1構成電流鏡作為有源負載；PM2作為恒流源為放大器第一級提供恒定的偏置電流。第二級放大電路由NM2和PM3構成。NM2為共源放大器；PM3為恒流源作負載

3、。相位補償電路由電阻R0和電容C0構成，跨接在第二級輸入輸出之間，構成RC米勒補償。此外從電流電壓轉換角度來看，PM0和PM1為第一級差分跨導級，將差分輸入電壓轉換為差分電流。NM0和NM1為第一級負載，將差模電流恢復為差模電壓。NM2為第二級跨導級，將差分電壓信號轉換為電流，而PM3再次將電流信號轉換成電壓信號輸出。偏置電壓由V0和V2給出。3.靜態(tài)特性對第一級放大電路：構成差分對的PM0和PM1完全對稱，故有 Gm1=gmp0=gmp1 (1)第一級輸出電阻 Rout1=rop1|ron1 (2)則第一級電壓增益 A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1|ron1) (3)對第二級放

4、大電路：電壓增益 A2=Gm2Rout2= -gmn2(ron2|rop3) (4)故總的直流開環(huán)電壓增益 A0=A1A2= -gmp0,1gmn2(rop1|ron1)(ron2|rop3) (5)由于所有的管子都工作在飽和區(qū)，所以對于gm我們可以用公式 gm= (6) 進行計算；而電阻ro可由下式計算 ro= (7) 其中為溝道長度調制系數且1/L。 4.頻率特性第一級輸出節(jié)點到地的總電容Cout1 Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2 （8）第二級輸出節(jié)點到地的總電容Cout2 Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL (9)列出KCL方程：

5、 （10） （11）聯立（10）、（11）消去中間變量Vi2得電路的傳遞函數為 （12）其中a=Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)Rout1Rout2 b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2) (13)由式（12）可得零點 （14）再看式（12）分母部分，對于形如as2+bs+1=0的方程，如果有兩個實根并相距很遠，有s1= -c/b, s2= -b/a。由此得兩個實根分別為 (15) (16)于是電路的主極點 (17)而次級點 (18)由于Cout2和C0遠大于Cout1，而Cout1中主要的部分為CGSN2

6、，Cout2中則以CL為主，經過適當近似可得單位增益帶寬為 (19)四、設計步驟：1）原理圖繪制根據設計好的電路圖選擇并添加需要的器件；將各個器件擺放好位置并連線；根據設計要求將VDD設置成1.1V，CL設置成100fF，輸入交流信號5uV，1MHz；初始設置所有管子的寬長比為50u/200n,輸入直流偏置300mV； 2） 參數調節(jié)第一級：首先要保證PM2工作在飽和區(qū)，P管的閾值電壓VTHP在420mV左右要保證VSGPVTHP，要求VDD-VbVTHP，于是需要Vb40dB，3dB帶寬20MHz,符合要求；2）相位裕量：計算結果為-117.5+180=62.5度，符合設計要求；3）瞬態(tài)響應

7、：4） 直流和交流仿真圖：從以上三圖也可以看出增益帶寬和相位裕度是符合要求的。5） 第一級增益：可以看出第一級增益在17dB左右。6） 直流工作點：可見各個管子都正常工作。綜上：從仿真結果來看，二級運放設計成功。5、 實驗心得和小結本次實驗最大的收獲就是對cadence這個軟件的操作有了更為熟悉的了解，學會了怎樣利用這款軟件去仿真并計算其帶寬、增益、相位裕量等。除此之外實驗過程中與同學和師兄的交流讓我對二級米勒運算放大器有了更加深刻的認識?？偟膩碚f，這次課程設計很有意義。6、 思考題1、兩級放大器中電阻R的作用？取多大比較合適？答：電阻R可以調節(jié)轉移函數的零點位置，進行零極點補償，調節(jié)R可以調節(jié)帶寬和相位裕量；R不宜過大也不宜過小，取百歐量級比較合適。2、 兩級放大器中米勒電容C的作用？取多大比較合適？答：米勒電容C0用于相位補償，調節(jié)C0可以顯著影響相位裕量；實驗中C0取不超過500fF，不低于100fF。3、 在增益和3dB帶寬不變的前提下，