CMOS 两级运放设计

CMOS 两级运放的设计

1设计指标

在电源电压0-5V ,采用0.5um 上华CMOS 工艺。完成以下指标：

共模输入电压

固定在（2DD SS V V +

）

开环直流增益 60dB ≥ 单位增益带宽 30MHZ ≥

相位裕度 60deg ree ≥

转换速率 30V

us

≥

负载电容 3pF ≡

静态功耗电流 1mA ≤ 共模抑制比 60dB ≥ PSRR 60dB ≥

2电路分析

2.1 电路图

2.2电路原理分析

两级运算放大器的电路结构如图1.1所示，偏置电路由理想电流源和M8组成。M8将电流源提供的电流转换为电压，M8和M5组成电流镜，M5将电压信号转换为电流信号。输入级放大电路由 M1～M5 组成。M1 和M2 组成PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载，将差模电流恢复为差模电压。；M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过M1，2的电流与流过M3,4的电流

1,23,45/2

d d d I I I ==。输出级放大电路

由M6、M7 组成。M6 将差分电压信号转换为电流，而M7 再将此电流信号转换为电压输出。M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由Cc 构成，构成密勒补偿。

3 性能指标分析

3.1 直流分析

由于第一级差分输入对管M1和M2相同，有 第一级差分放大器的电压增益为：

1

124

m v ds ds g A g g -=

+

第二极共源放大器的电压增益为

6

267

m v ds ds g A g g -=

+

所以二级放大器的总的电压增益为

1626

1224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===

++++

3.2频率特性分析

设1C 为第一级输出节点到地的总电容，有

1

2

2446GD DB GD DB GS C C

C C C C =++++

设2C 表示第二级输出节点与地之间的总电容，有

2

6

77DB DB GD L C C

C C C =+++

一般，由于L C 远大于晶体管电容，所以2C 远大于1C , 可以解出电路的传输函数为

()1

2

1

6

2

1c

m m id

s as bs g g C R R

V V

-=++

其中：()1

2

1

2

1

2

c

a C C C C C R R ⎡⎤=++⎣⎦

()121

2

1

2

126

c m b g

C C C R R R R R R

=++++

可以得到右半平面零点为

6

2m z

c

g f

C

π=

从而电路的主极点

1

2

6

1

d

c

m f

g C

R R =

而次极点

6m nd

L

g f C

=

由于2C 和C C 远大于1C ，而1C 中最主要的部分为6GS C , 2C 中则以L C 为主，经过适当近似，可以得到单位增益带宽为

10

2m d

c

GBW g

f A C

π==

3.3 共模抑制比分析

如果运放有差分输入和单端输出，小信号输出电压可以描述为差分和共模输入电压的方程

dm cm O

id ic V

V V A A =+

其中dm A 是差模增益，有0

dm A A

=，cm A 是共模增益。共模抑制比的定义为

dm cm

CMRR A

A

=

从应用角度考虑CMRR 可以理解为“每单位共模输入电压的变化引起的输入失

调电压的变化”。

对于两级运放电路的共模抑制比，有

5

3

3

1533

dm id

cm

id

CMRR CMRR V V A V V

V V A

V V

=

==

其中，1CMRR 是第一级的共模抑制比，因为第二级是单端输入、单端输出，所以不贡献共模抑制比。

由源极负反馈增益可知，等效输入跨导m G 为:

(

)

1

1

515

1

212o m m o o o m g r

G g r r r =

++

如果1

51

2o o m g

r

r ，那么m G 可以化简为：

5

12m o G r =

输出阻抗为:

()

3

51

513

3

1

121out o o o o m m m g R r

r r r g g

⎡⎤=

++≈⎣⎦ 所以共模增益为：

5

5

1

2cm out m o m G A R g r

==

得到：

()5

2

4

5

1

2dm o o o m m cm

CMRR A g

g r r r A

=

=

3.4转换速率（slew rate ）

Slew Rate 也就是压摆率，是指大信号情况下运放的输入端接入较大的阶跃信号，输出信号波形也会发生大的变化，会发生截至或者饱和的现象。输出电压变 化对时间的比值叫做压摆率，单位是V

us

。