CMOS两级运算放大器.docx
CMOS两级运算放大器设计及仿真实验报告班级:学号:姓名:日期:一、运算放大器设计简介运算放大器是许多模拟及数模混合信号系统中一个十分重要的部分。各种不同复杂程度 的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。运算放大器的设计可分为两个步骤。第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结 构草图。确定好的电路结构不能轻易修改。运算放大器的电路结构确定之后需要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿 电容等关键参数。为了满足运放的交流和直流需要，所有管子必须设计出合适尺寸。在手工 计算的基础上，运用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。 在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。若不符合，再回到手工计算，调试电 路。二、设计目标电路参数要求：(1) 直流或低频时的小信号差模电压增益Avd = 4000V/V(72dB)(2) 增益带宽积GBW = 10MHz(3) 输入共模电压范围Vcm,min = 0.4V， Vcm,max = 1.5V(4) 输出电压摆幅0.2V < Vout < 1.5V(5) 相位裕度PM = 60(6) 负载电容CL = 1pF电源电压VDD = 1.8V使用CMOS-90nm工艺库。三、电路设计1.电路结构最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图所示。主要包括四大部分: 第一级双端输入单端输出差分放大级、第二级共源放大级、直流偏置电路及密勒补偿电路。2.电路描述输入级放大电路由PM0、PM2、NM1、NM3组成，其中PM0与PM2组成电流源偏置电路，NM1与NM3组成差分放大电路，输入端分别为IN1和IN2,单端输出。如下图所示。F*M2 moa1vr, 1.B7EOn mc-E'lvrySDnn -n muElv 2.7a T 日。E输出级放大电路由PM1和NM4组成，其中PM1为共源放大级电路，NM4为电流源偏 置电路。如下图所示。竺莒_，EL备挡>Lpr1_LUElEujr-.心电流源偏置电路由NM0、NM2与NM4组成，其中NM0接偏置电流源，电流源电流为30uA。如下图所示。nrrwIZT选取电源电压为1.8V。共模输入电压设为500mV，差模输入电压设IN1、IN2为5uV交流小信号，方向相反。如下图所示。3.参数估计第一级放大电路的电压增益:第二级放大电路的电压增益:两级放大电路总增益:增益带宽积:设置直流工作点:0.00? Sdect insteuicEa for tie OP cutfiuL.UUfmiaw Zaam Axes Qirwes Marlcsrs Annotation Edit ToaEs对单个nmos管进行gm/Id、Id/w与Vgs图形仿真，如下图所示。Active 17- Virtuoso® Analog Design Environinent Omylih A0ncy schemotic : Nrv 27 ":3?:07 20140r£5Expressions200取gm/Id为10, Vgs为0.3V,可得差动放大级单边电路偏置电流为15uA。根据镜像电流源的特性可设置Iref为30uA。设置第二级共源放大级直流偏置电流为34.3uA。宽长比计算如下：偏置电路：NM0 4.5NM2 4.5NM4 5.15差分放大电路：PM0 1.875PM2 1.875NM1 15NM3 15共源放大级：PM1 4.7密勒补偿电路参数配置Rc 10KCc 3pF四、仿真调试测试环境搭建。tran为扫频时间，设置输入信号频率为1KHz，因此tran值设置为10ms。扫频范围为1至100GHz。并保存直流工作点信息。如下图所示。Status: BendyT-Z7 C S km ill ate r: spoctra5SSgslon SDtufi AtiaJiysgs vsiriyisies ulputs SiimuiEsmiM Results ToolsHelpDg-igriLDrary n.ylJb# TypeArgumentsEnableJHC 1RUHCell niatestView 3ch.enL5tic1 detyeajDC2 ac11DOGAuto. . Star. yea| i 分3 tract0ILhiyea* 如Design ViariatiOesOijlfiulxI# None：Volve# Nwrie/Signal/ETypcValue Plot Save Nrch1 net25yes alLv no二2 iniyes alLv no2 ii也yes alLv noPI如tiing niDirle:R联ptai:吧r _争 R盹福tsM ZhojTi龄roigniMBaliorimifiilD#lpclre，schonotic：匕¥测试第一级差动放大级的放大倍数。如下图所示。放大倍数大约为250倍，红色线条为第一级输出。相当于本征放大增益的平方。Pzj LabelAC Response /net25 S/lnl H/inZs悝巨测试两级放大电路的放大倍数。如下图所示。Dlt ML FlMi« Gmpi AW TrjttZHIIfc THIS 扉l|>Hiv3IX 2f|d5ICLI9E-I419汕Hw 3d. 3511工mm 四条波形线分别为差动输出级、IN1、IN2、OUT。NnvO, JO 14AC ResporiEe|/net25 S/inl /in2 S/out多)tsEW放大倍数约为11000倍，带宽为1KHz。因此增益带宽积大于10 MHz。相位与放大倍数的关系如下图所示。在增益降为0dB的时候，相位降幅大约为110度，即相位裕度大约为70度。五、实验结果电路仿真参数：(1) 直流或低频时的小信号差模电压增益Avd = 11000V/V(80dB)(2) 增益带宽积GBW = 11MHz(3) 输入共模电压Vcm = 0.5V(4) 输出电压1.3V < Vout < 1.4V(5) 相位裕度PM = 70 度(6)负载电容CL = 1pF电源电压VDD = 1.8V(8)密勒补偿电容及电阻Rc = 10KCc = 3pF仿真参数满足设计要求。
