模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(二級(jí)放大器的設(shè)計(jì))

1、模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -二級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與科學(xué)技術(shù)系一、概述： 運(yùn)算放大器是一個(gè)能將兩個(gè)輸入電壓之差放大并輸出的集成電路。運(yùn)算放大器是模擬電子技術(shù)中最常見的電路，在某種程度上，可以把它看成一個(gè)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(hào)系統(tǒng)中的重要組成部分。 它的主要參數(shù)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(diào)電壓、漂移、噪聲、輸入共模與差模范圍、輸出驅(qū)動(dòng)能力、建立時(shí)間與壓擺率、CMRR、PSRR以及功耗等。二、設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)二級(jí)運(yùn)算放大器，使其滿足下列設(shè)計(jì)指標(biāo)：工藝Smic40nm電源電壓1.1v負(fù)載1

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

3、。相位補(bǔ)償電路由電阻R0和電容C0構(gòu)成，跨接在第二級(jí)輸入輸出之間，構(gòu)成RC米勒補(bǔ)償。此外從電流電壓轉(zhuǎn)換角度來(lái)看，PM0和PM1為第一級(jí)差分跨導(dǎo)級(jí)，將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為差分電流。NM0和NM1為第一級(jí)負(fù)載，將差模電流恢復(fù)為差模電壓。NM2為第二級(jí)跨導(dǎo)級(jí)，將差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而PM3再次將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。偏置電壓由V0和V2給出。3.靜態(tài)特性對(duì)第一級(jí)放大電路：構(gòu)成差分對(duì)的PM0和PM1完全對(duì)稱，故有 Gm1=gmp0=gmp1 (1)第一級(jí)輸出電阻 Rout1=rop1|ron1 (2)則第一級(jí)電壓增益 A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1|ron1) (3)對(duì)第二級(jí)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(duì)于gm我們可以用公式 gm= (6) 進(jìn)行計(jì)算；而電阻ro可由下式計(jì)算 ro= (7) 其中為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)且1/L。 4.頻率特性第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到地的總電容Cout1 Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2 （8）第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)到地的總電容Cout2 Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL (9)列出KCL方程：

5、 （10） （11）聯(lián)立（10）、（11）消去中間變量Vi2得電路的傳遞函數(shù)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(diǎn) （14）再看式（12）分母部分，對(duì)于形如as2+bs+1=0的方程，如果有兩個(gè)實(shí)根并相距很遠(yuǎn)，有s1= -c/b, s2= -b/a。由此得兩個(gè)實(shí)根分別為 (15) (16)于是電路的主極點(diǎn) (17)而次級(jí)點(diǎn) (18)由于Cout2和C0遠(yuǎn)大于Cout1，而Cout1中主要的部分為CGSN2

6、，Cout2中則以CL為主，經(jīng)過適當(dāng)近似可得單位增益帶寬為 (19)四、設(shè)計(jì)步驟：1）原理圖繪制根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路圖選擇并添加需要的器件；將各個(gè)器件擺放好位置并連線；根據(jù)設(shè)計(jì)要求將VDD設(shè)置成1.1V，CL設(shè)置成100fF，輸入交流信號(hào)5uV，1MHz；初始設(shè)置所有管子的寬長(zhǎng)比為50u/200n,輸入直流偏置300mV； 2） 參數(shù)調(diào)節(jié)第一級(jí)：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(jì)算結(jié)果為-117.5+180=62.5度，符合設(shè)計(jì)要求；3）瞬態(tài)響應(yīng)

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(jí)增益：可以看出第一級(jí)增益在17dB左右。6） 直流工作點(diǎn)：可見各個(gè)管子都正常工作。綜上：從仿真結(jié)果來(lái)看，二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)成功。5、 實(shí)驗(yàn)心得和小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)最大的收獲就是對(duì)cadence這個(gè)軟件的操作有了更為熟悉的了解，學(xué)會(huì)了怎樣利用這款軟件去仿真并計(jì)算其帶寬、增益、相位裕量等。除此之外實(shí)驗(yàn)過程中與同學(xué)和師兄的交流讓我對(duì)二級(jí)米勒運(yùn)算放大器有了更加深刻的認(rèn)識(shí)?？偟膩?lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)很有意義。6、 思考題1、兩級(jí)放大器中電阻R的作用？取多大比較合適？答：電阻R可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移函數(shù)的零點(diǎn)位置，進(jìn)行零極點(diǎn)補(bǔ)償，調(diào)節(jié)R可以調(diào)節(jié)帶寬和相位裕量；R不宜過大也不宜過小，取百歐量級(jí)比較合適。2、 兩級(jí)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(bǔ)償，調(diào)節(jié)C0可以顯著影響相位裕量；實(shí)驗(yàn)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，