CMOS運(yùn)算放大器報(bào)告

1、集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告CMOS運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)班級(jí) 11電子A班 姓名 葛 坤 學(xué)號(hào) 1115102016 教師 程夢(mèng)璋 華僑大學(xué)電子工程系目錄一、運(yùn)算放大器1二、電路結(jié)構(gòu)分析22.1、小信號(hào)等效電路22.2、直流開(kāi)環(huán)電壓增益22.3、輸入輸出電壓傳輸方程32.4、電路的零極點(diǎn)42.5、小信號(hào)帶寬42.6、共模抑制比5三、電路參數(shù)設(shè)計(jì)53.1、運(yùn)算放大器的手工計(jì)算53.2、驗(yàn)證手工計(jì)算的運(yùn)放主要參數(shù)7四、仿真結(jié)果與分析81、運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓仿真92、運(yùn)放的共模輸入范圍103、運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性104、運(yùn)放的小信號(hào)相頻和幅頻特性115、運(yùn)放的靜態(tài)功耗136、運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率分析137、運(yùn)放的共模

2、抑制比分析148、運(yùn)放的電源電壓抑制比分析149、運(yùn)放各器件仿真結(jié)果和手算結(jié)果對(duì)比15一、運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是模擬集成電路設(shè)計(jì)中的基本電路模塊，圖1.1所示的是一個(gè)電容性負(fù)載的兩級(jí)CMOS基本差分運(yùn)算放大器，其中，Part1為運(yùn)算放大器的電流鏡偏置電路；Part2為運(yùn)算放大器的第一級(jí)放大器；Part3為運(yùn)算放大器的第二級(jí)放大器。第一級(jí)放大器為標(biāo)準(zhǔn)基本差分運(yùn)算放大器，第二級(jí)放大器為PMOS管作為負(fù)載的NMOS共源放大器。為了運(yùn)算放大器的工作穩(wěn)定性，在第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器之間采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)消除第二個(gè)極點(diǎn)對(duì)低頻放大倍數(shù)、單位增益帶寬和相位裕度的影響。在運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)圖中，M1，M2，M

3、3，M4，M5構(gòu)成PMOS對(duì)管作為差分輸入對(duì)，NMOS電流鏡作為輸入對(duì)管負(fù)載，尾電流控制差分輸入對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)基本差分運(yùn)算放大器；M6，M7構(gòu)成以PMOS管作為負(fù)載的NMOS共源放大器；M14（工作在線性區(qū)）和電容CC構(gòu)成運(yùn)算放大器的第一級(jí)和第二級(jí)放大器之間的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；M9M13以及R1組成運(yùn)算放大器的偏置電路。圖1.1 CMOS兩級(jí)運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1.1，下面將根據(jù)該表給定的運(yùn)放性能指標(biāo)進(jìn)行兩級(jí)運(yùn)放的主體電路設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)兩級(jí)運(yùn)放的偏置電路，最后介紹該運(yùn)放的版圖設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)流程是：首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，手工估算電路中各晶體管的寬長(zhǎng)比；然后再對(duì)其進(jìn)行仿真；通過(guò)反復(fù)的仿真和修改各個(gè)晶

4、體管的參數(shù)，進(jìn)行電路參數(shù)優(yōu)化，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)。表1.1 運(yùn)放性能指標(biāo)性能單位數(shù)值小信號(hào)低頻電壓增益 （DC Gain）V/V3000單位增益帶寬 （Unit-Gain Bandwidth）MHz100相位裕度 （Phase Margin）度70轉(zhuǎn)換速率 （Slew Rate）V/S100建立時(shí)間 1% （Settling Time）ns80共模抑制比 （Common Mode Rejection Ratio）dB80電源電壓 （Power Supply）V5輸入共模范圍 （Input Common Mode Range）V1.53.5電壓輸出范圍 （Output Range）V0.

5、34.7負(fù)載電容 （Load Capacitance）pF2功耗 （Power Consumption）mW15電源電壓抑制比 （Power Supply Rejection Range）dB802、 電路結(jié)構(gòu)分析2.1、小信號(hào)等效電路暫時(shí)不考慮調(diào)電阻 M14，繪出電路的等效模型，如圖2.1所示：圖2.1 等效電路模型2.2、直流開(kāi)環(huán)電壓增益 第一級(jí)： 第二級(jí)： 故總的直流開(kāi)環(huán)電壓增益為： 2.3、輸入輸出電壓傳輸方程圖2.2、第一級(jí)小信號(hào)等效電路分別在節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3列KCL，得到：圖2.3、第二級(jí)小信號(hào)等效電路對(duì)節(jié)點(diǎn)3運(yùn)用KCL得到：對(duì)節(jié)點(diǎn)5運(yùn)用KCL得到：2.4、電路的零極點(diǎn)將兩級(jí)傳遞函數(shù)

6、結(jié)合起來(lái)，得到兩級(jí)運(yùn)放的總的傳遞函數(shù)為：其中，Av0 為直流增益，傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)如下： 另外要注意的是，這個(gè)電路中還存在著兩個(gè)右半平面的零點(diǎn)，它們可能都在10 倍GBW 之外，較近的一個(gè)是由M2 的CGD 引起，大約為gm2/CGD，較遠(yuǎn)的一個(gè)由M6 的CGD 引起，大約為gm6/CGD。采用RZ 的超前相位補(bǔ)償不會(huì)改變這兩個(gè)RHP 零點(diǎn)的位置。2.5、小信號(hào)帶寬 上式中，含有兩個(gè)工藝參數(shù)p 和COX，而設(shè)計(jì)參數(shù)有四個(gè)，分別是CC、W1、L1 和VGST1，可以看到GBW 與管子的溝道寬度和過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓成正比，而與CC 和L 成反比。也就是說(shuō)，要得到高的GBW 就需要增大M1 和M2 管的過(guò)驅(qū)

7、動(dòng)電壓或者減小其溝道長(zhǎng)度，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，這與提高增益的要求是相互抵觸的，而且管子面積的減小也會(huì)使得噪聲性能變差，所以在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，需要根據(jù)具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡。2.6、共模抑制比 將跨導(dǎo)和單管輸出阻抗替換，忽略單管輸出阻抗的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，考慮IDS1IDS2IDS3IDS4IDS5/2，得到：降低過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓可以提高CMRR，另外將M5 替換成高阻抗電流源也可以提高CMRR，但這樣會(huì)降低共模輸入范圍。3、 電路參數(shù)設(shè)計(jì)3.1、運(yùn)算放大器的手工計(jì)算 假設(shè)從該運(yùn)放設(shè)計(jì)所采用的工藝模型中查到以下主要工藝參數(shù) ， VTHN = 0.54 V，|VTHP| = 0.75V 1、通過(guò)運(yùn)放轉(zhuǎn)換速

8、率SR求M5的漏極電流 假設(shè): 網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容Cc=2pf，因?yàn)镾R=ID5 / Cc = 100 V/s，ID5為M5的漏極電流，則：ID5=SRCc =100 V/s2=200A。由于流過(guò)M5的電流為200A，則流過(guò)M1、 M2、M3和M4的電流為200mA/2=100A。 2、通過(guò)MOS管的飽和區(qū)和線性區(qū)的臨界過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓求M5的W/L寬長(zhǎng)比因?yàn)镸5工作在飽和狀態(tài)，則VDS5（VGS5VTHP），在線性區(qū)和飽和區(qū)的交界處的臨界過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Veff5=VDS5=VGS5VTHP，則： （3.1） （3.2）根據(jù)共模輸入電壓的最大值的要求為3.5V。由于Vin（cm）max=VDD Veff5 V

9、gs1=3.5V，且， Vgs=Veff +VTHP。假設(shè)M5 和M1管的臨界過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓相同，即Veff5=Veff1=Veff。則3.5V =5 Veff Veff VTHP=5 2Veff 0.75，即2Veff=5 3.5 0.75=0.75V，Veff=0.375V，所以 3、通過(guò)MOS管的飽和區(qū)和線性區(qū)的臨界過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓求M6的W/L寬長(zhǎng)比，同理我們可以得出： 。假設(shè)ID6= ID5=200uA，且電路輸出的最大擺幅為4.7 V，即：Vout（max）=4.7V=VDD-Veff6，所以Veff6=5-4.7=0.3V， 4、求M7的W/L寬長(zhǎng)比輸出擺幅的最小值為Vout（CM）min

10、=0.3V=Veff7 5、求M3和M4的W/L寬長(zhǎng)比為防止系統(tǒng)誤差，M7、M6、M5和M4的尺寸要滿足下式 （3.3）因?yàn)?（W/L）6 = 103.36 ，（W/L）5 = 66.15 ，（W/L）7 = 48.31，則， （W/L）4 =（W/L）3 = 15.46 6、求M1和M2的W/L寬長(zhǎng)比P需的各個(gè)壓增益為： 由于單位增益帶寬fu=gm1/2Cc=100MHz，則 gm1=2Ccfu=6.28210-12100106=12.56610-4=1.2566mS 因?yàn)?（3.4） 所以 （3.5） 7、求運(yùn)放偏置電路各晶體管的W/L寬長(zhǎng)比 為了節(jié)省運(yùn)放的功耗，運(yùn)放的偏置電流鏡電路采用與

11、差分運(yùn)放尾電流比例為1/10的電流設(shè)置，則M8、M9、M10、M11和M12的W/L寬長(zhǎng)比應(yīng)為M5的W/L寬長(zhǎng)比的1/10，即：（W/L）8=（W/L）9=（W/L）10=（W/L）11=（W/L）12= 6.62 取R1=1 K，則（W/L）13=4（W/L）12 = 26.483.2、驗(yàn)證手工計(jì)算的運(yùn)放主要參數(shù) 1、小信號(hào)低頻放大倍數(shù)： 第一級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)： 第二級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)： 其中，gm1和gm7分別為NMOS管M1和M7的跨導(dǎo)；gds2，gds4，gds6 和gds7分別是M1，M4，M6 和M7的輸出電導(dǎo)。并且有 根據(jù)MOS管輸出電阻的經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)于NMOS管，有；對(duì)于PMOS管，

12、有 取所有MOS管的溝道有效長(zhǎng)度1.5m，則=120 K；=60 K；=180 K；=90 K； 因此，運(yùn)放的小信號(hào)低頻放大倍數(shù)Au為 （3.6） （3.7） 2、靜態(tài)功耗Pdc Pdc=VDD（Id5+Id7）=5（200+200+80）=2.4mW15 mW （3.8） 3、CMRR共模抑制比由上面計(jì)算可知，gm1=1.2566mS，gds1= gds2=0.0056mS=90 K；=26940=88.6（dB）80dB（3.9）四、仿真結(jié)果與分析 首先進(jìn)行運(yùn)算放大器直流分析的仿真，這個(gè)仿真的意義是為運(yùn)算放大器的每個(gè)MOS器件確定初步的靜態(tài)工作點(diǎn)。其目的是： 保證同一支路各個(gè)MOS器件的漏

13、源電壓分配合適，且所有的MOS器件要保證工作在飽和區(qū)； 調(diào)節(jié)電流鏡，使電流鏡的輸出電壓大致在3.3V3.7V范圍內(nèi)，第一級(jí)的輸出直流電壓在0.9V1.2V范圍內(nèi)，第二級(jí)的輸出直流電壓在2.5V左右。然后進(jìn)行運(yùn)放的小信號(hào)相頻和幅頻特性仿真，在仿真之前，首先要假定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)NMOS管M14的尺寸。M14的W/L寬長(zhǎng)比估算方法如下。從前面的假設(shè)條件和運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)得到：網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容Cc=2pF，單位增益帶寬fu=100MHz，則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電阻計(jì)算公式： （3.10）用M14代替RC電阻，M14必須工作在深線性區(qū)。由于M14的柵極接電源電壓Vdd，只要控制M14的VDS足夠小，M14必然工作在深

14、線性區(qū)。這里，M14的VGS接近于5V，VDS接近于1.3V， 則M14工作在深線性區(qū)，根據(jù)MOS管深線性區(qū)導(dǎo)通電阻的計(jì)算公式 （3.11） （3.12）取M14的溝道有效長(zhǎng)度為1.5 m，則M14的溝道寬度為12.591.5 = 18.89 m。實(shí)際上在進(jìn)行運(yùn)放的小信號(hào)相頻和幅頻特性初步仿真時(shí)，網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電阻先不要采用NMOS管而用電阻代替。根據(jù)CMOS差分放大器和共源放大器工作原理分別調(diào)試差分放大器的尾電流管，差分對(duì)管，差分對(duì)管負(fù)載管的尺寸；共源放大器放大管和負(fù)載管的尺寸得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的運(yùn)放的小信號(hào)幅頻特性，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電容Cc的電容值得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的運(yùn)放的小信號(hào)相頻特性以及相位裕度。最

15、后，采用M14代替RC電阻并調(diào)節(jié)M14的溝道寬度達(dá)到和網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電阻相同的小信號(hào)幅頻，相頻特性。參數(shù)調(diào)整后靜態(tài)工作點(diǎn)分析： 1、運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓仿真通過(guò)仿真運(yùn)放的直流傳輸特性是測(cè)量其輸入失調(diào)電壓。運(yùn)放的電源電壓為5V，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，其反相端接2.5V直流電壓，同相端加從2.45V到2.55V的直流掃描電壓，做DC仿真得到的運(yùn)放的直流傳輸特性如圖4.1所示，其輸入失調(diào)電壓為0mV，滿足了通用運(yùn)放失調(diào)電壓的要求。 圖4.1、運(yùn)放的直流傳輸特性分析 2、運(yùn)放的共模輸入范圍 運(yùn)放的共模輸入范圍是運(yùn)放的輸入輸出跟隨特性。運(yùn)放的電源為5V，運(yùn)放的反相端和輸出相連，構(gòu)成緩沖器；同相端加直流掃描從0到5V，經(jīng)

16、仿真得到的運(yùn)放輸入輸出跟隨特性如圖7.20所示，其輸入共模電壓范圍從0.4V到4.81V，滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。 圖4.2、運(yùn)放輸入輸出跟隨特性 3、運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性 運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性是仿真運(yùn)放的輸出電壓最大值和最小值。運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性仿真電路如圖4.3所示，其反相比例放大器增益為10。圖4.3、運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性仿真電路正輸入端接2.5V的直流電壓， Vin 輸入端加從0到5V的直流掃描電壓，經(jīng)仿真得到的運(yùn)放輸出電壓擺幅特性見(jiàn)圖4.4，運(yùn)放的輸出電壓擺幅是從0到5V，滿足了運(yùn)放指標(biāo)對(duì)輸出電壓擺幅的要求。圖4.4、運(yùn)放的輸出電壓擺幅特性 4、運(yùn)放的小信號(hào)相頻和幅頻特性運(yùn)放

17、的小信號(hào)相頻和幅頻特性是仿真運(yùn)放的開(kāi)環(huán)小信號(hào)放大倍數(shù)及其相位隨頻率的變化趨勢(shì)，從而得到運(yùn)放的相位裕度和單位增益帶寬指標(biāo)，并進(jìn)一步鑒別運(yùn)放的放大能力、穩(wěn)定性和工作帶寬。運(yùn)放的輸出端接2pF的負(fù)載電容，電源電壓為5V，共模輸入電壓為2.5V，差模輸入幅度為1V的交流信號(hào)，即兩輸入端的輸入交流信號(hào)相位相反。做交流小信號(hào)分析，可以得到運(yùn)放的小信號(hào)相頻和幅頻特性如圖4.5所示。從仿真結(jié)果可以看出，運(yùn)放采用RC補(bǔ)償，在滿足單位增益帶寬的同時(shí)，能很好的調(diào)節(jié)相位裕度。運(yùn)放的低頻開(kāi)環(huán)增益為82.9dB，單位增益帶寬為110MHz，相位裕度為70度，其中，低頻開(kāi)環(huán)增益和單位增益帶寬這兩項(xiàng)仿真結(jié)果遠(yuǎn)高于運(yùn)放指標(biāo)的要

18、求。圖4.5、運(yùn)放的小信號(hào)相頻和幅頻特性 5、運(yùn)放的靜態(tài)功耗運(yùn)放的靜態(tài)功耗是指當(dāng)運(yùn)放在輸入平衡狀態(tài)下電路消耗的總電流和總電壓的乘積。在電源電壓5V，運(yùn)放的兩輸入端輸入共模電壓2.5V時(shí)，運(yùn)放各支路的靜態(tài)電流之和為2.2054mA，則運(yùn)放的靜態(tài)功耗為11.027mW，小于指標(biāo)的要求。 6、運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率分析 運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率是分析運(yùn)放在大信號(hào)作用下的反應(yīng)速度。仿真運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率可將運(yùn)放的輸出端和反相輸入端相連構(gòu)成單位增益結(jié)構(gòu)。運(yùn)放的同相輸入端輸入2V到3V的階躍信號(hào)，利用仿真軟件對(duì)該電路做瞬態(tài)分析得到的輸出波形見(jiàn)圖4.6，從仿真波形得到：在輸出上升曲線的10%和90%處，其電壓分別為2.9V和2.1V；時(shí)間分別為19ns和12.8ns。運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率SR=（2.9V-2.1V）/（ 19ns12.8ns）=129V/s，基本滿足運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率的指標(biāo)要求。圖4.6、運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率分析 7、運(yùn)放的共模抑制比分析運(yùn)放的共模抑制比是測(cè)試運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。仿真方法是在運(yùn)放的開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，在運(yùn)放的同相和反相輸入端同時(shí)加入一個(gè)幅度為1V的交流小信號(hào)源，對(duì)電路進(jìn)行交流小信號(hào)分析，仿真結(jié)果如圖4.7所示。從仿真結(jié)果可得，運(yùn)放的低頻共模電壓增益為0.521dB。因?yàn)檫\(yùn)放的共模抑制比（dB為單位）等于其差模電壓增益（dB）減去共模電壓增益（dB），差模電壓增益是82.9dB，所