两级运算放大器设计文档-20150116
两级运放设计要点
两级运放设计要点引言：两级运放是电子电路中常用的一种放大电路，它由两级放大器级联而成。
本文将介绍两级运放的设计要点，并探讨其在电子电路中的应用。
一、两级运放的基本原理两级运放由两个放大器级联组成，第一级放大器称为输入级，第二级放大器称为输出级。
输入级负责将输入信号放大并将其传递给输出级进行进一步放大，最终得到输出信号。
1. 输入级的设计要点输入级的设计要点包括：（1）选择合适的输入级放大器。
根据需求选择合适的放大器类型，如共射放大器、共基放大器或共集放大器等，以满足电路的输入阻抗和放大倍数要求。
（2）确定合适的偏置电路。
为了确保输入级的工作点稳定，需要设计合适的偏置电路来提供适当的偏置电压。
（3）考虑输入阻抗和带宽的平衡。
输入级应具有足够高的输入阻抗以避免对信号源的负载影响，同时还应考虑输入级的带宽，以确保信号能够在整个频率范围内得到放大。
2. 输出级的设计要点输出级的设计要点包括：（1）选择合适的输出级放大器。
根据输出要求选择合适的输出级放大器类型，如共射放大器、共基放大器或共集放大器等，以满足输出阻抗和输出功率要求。
（2）确定适当的负载电阻。
根据输出级放大器的特性和负载要求，选择适当的负载电阻，以确保输出信号能够得到正确的匹配和传递。
（3）考虑输出阻抗和带宽的平衡。
输出级应具有足够低的输出阻抗以减小对负载的影响，并且还应考虑输出级的带宽，以确保信号能够在整个频率范围内得到放大。
二、两级运放的应用两级运放在电子电路中有广泛的应用，下面将介绍一些常见的应用场景。
1. 音频放大两级运放可以用于音频放大电路中，将低电平的音频信号放大到足够大的电平以驱动扬声器或耳机。
通过合适的输入级和输出级设计，可以实现音频信号的放大，并保持音质的清晰度和准确性。
2. 信号传感器放大在传感器应用中，两级运放可以用于放大传感器输出的微弱信号，以便进行后续的信号处理和分析。
通过适当的输入级和输出级设计，可以提高传感器信号的灵敏度和稳定性，从而提高系统的性能。
CMOS 两级运算放大器设计
第一章 概述
本设计要完成的电路如图 1 所示。该运放采用两级结构，第一级是差分对输入，镜 像电流源作负载，第二级是共源输入，电流源负载。由于两级结构至少有两个极点，相 位偏移达到至少 180°，因此用密勒电容进行补偿，同时为增大相位裕度，在密勒电容 前串接一个电阻，此处用 MOS 管实现，来引入一个零点，增大相位裕度。偏置电路采 用微电流源，或恒 Gm 偏置，使偏置不受电源的影响。本设计电源电压采用 5V，负载 电容 3pF。
1
M1 VN
M2 VP
2
3
M3
M4
GND 图 3 第一级等效电路
图 4 第一级小信号等效电路
由图 4 得第一级共模增益
− 1 || ro3,4
Acm1 ≈
2gm3,4 2
1 2 g m1,2
+
ro5
≈− 1
gm1,2
1 + 2gm1,2ro5 gm3,4
两级运放的 CMRR 与第一级的 CMRR 相等，故
0.9(VDD-VSS)]
静态功耗 开环直流增益 单位增益带宽
≤ 2mW ≥ 80 dB Maximize
相位裕量 转换速率 共模抑制比 负电源抑制比 等效输入噪声
≥ 60 degree ≥ 30 V/us ≥ 60dB ≥ 80dB ≤ 300 nV/rt Hz@1KHz
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+ RO (Cc
+ CL )⎤⎦ +1
其中 ξ = CECc + CECL + CcCL
在 CE << Cc ,CL 时，两个极点分别为
( )( ) ( ) ( ) ( ) ϖ p1 = RS
两级全差动运算放大器的设计
两级全差动运算放大器的设计华中科技大学IC课程设计两级全差动运算放大器的设计年级:学号:姓名:专业:指导老师:二零一一年十二月摘要应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。
可以满足一定的高速度、高精度的指标。
两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。
通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。
因此，优于一些传统的两级运算放大器。
关键词：全差动运算放大器；共源放大器；折叠式放大器AbstractA fully differential operational amplifier with a DC-gain of 86dB and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process.It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefore,it is better than some of the traditional operational amplifier.Keywords:fully differential operational amplifier; common-source amplifier; Folding amplifier目录摘要 (1)Abstract (2)1.引言 (4)2. 两级全差动运算放大器设计要求 (4)3. 电路分析与设计 (4)3.1.第一级运算放大器设计 (5)3.1.1第一级差模电压增益 (6)3.1.2.共模电压输入范围 (6)3.1.3.第一级增益带宽积GBW (7)3.1.4.第一级MOS管宽长比 (7)3.1.5.第一级仿真结果 (7)3.2.第二级运算放大器设计 (8)3.2.1.第二级差模电压增益 (9)3.2.2.偏置电压与偏值电流 (9)3.2.3.增益带宽积与负载电容 (9)3.2.4.第二级MOS管宽长比 (9)3.2.5.第二级仿真结果 (10)3.3.两级联仿 (10)3.3.1.差分压摆率 (11)3.3.2.静态功耗 (11)3.3.3.等效输入参考噪声 (11)3.3.4.相角裕度 (12)3.3.5.两级联仿结果 (13)4. 结论 (13)致谢 (14)参考文献 (14)心得体会 (15)1.引言随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。
两级放大器设计范文
两级放大器设计范文在电子电路设计中，放大器是广泛应用的一种电路元件，用于增大信号幅度。
在放大器设计中，常见的一种设计是两级放大器设计。
本文将详细介绍两级放大器的设计步骤及注意事项。
一、设计步骤1.确定放大倍数：首先需要确定所需的放大倍数，通常通过分析输入信号和输出信号的电压幅度来确定。
放大倍数的选择受到输入和输出电压的限制以及系统的噪声要求等因素的影响。
2.选择放大器的类型：根据所需的放大倍数和应用要求，选择适当的放大器类型。
常见的放大器类型包括共射放大器、共基放大器、共集放大器等。
3.计算放大器参数：根据选择的放大器类型，计算所需的电路参数，包括输入电阻、输出电阻、增益、功耗等。
4.设计输入电路：根据所需的输入阻抗和输入信号频率，设计适当的输入电路，如耦合电容、终端电阻等。
5.设计输出电路：根据所需的输出阻抗和输出负载要求，设计适当的输出电路。
输出电路通常包括输出耦合电容和负载电阻等。
6.选择和计算元件值：根据所选的放大器类型和设计要求，选择适当的电容、电阻和功率放大器等元件，并计算其数值。
在计算元件值时，需要考虑电路的稳定性、频率响应和功耗等因素。
7.进行仿真和优化：使用电路仿真软件进行电路仿真，检查电路的性能和稳定性。
通过仿真结果，优化电路的设计参数，以满足设计要求。
8.装配和测试：根据设计要求，装配电路并进行测试。
测试结果应与设计目标相符。
二、注意事项1.稳定性：在设计过程中，要注意电路的稳定性。
稳定性是指放大器在各种工作条件下，如温度、电源变化等的影响下，仍能保持其增益和频率特性的稳定性。
为了提高稳定性，可以采取稳定性增强技术，如增加补偿电容、降低放大器的Q值等。
2.频率响应：放大器的频率响应是指其输出信号幅度对于输入信号频率变化的响应能力。
在设计过程中，需根据应用要求，选择适当的频率范围和带宽，并通过选择合适的元件和电路结构来优化频率响应。
3.线性度：放大器的线性度是指其输出信号与输入信号之间的线性关系程度。
2级运放课程设计
2级运放课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握二级运放的基本原理，理解运放电路的组成及各部分功能。
2. 使学生了解二级运放电路的电压增益、输入输出阻抗等性能参数，并能进行简单的计算。
3. 引导学生掌握运放电路的频率响应特性，了解影响频率响应的因素。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识设计二级运放电路的能力，能够根据需求选择合适的运放型号及外围元件。
2. 提高学生分析、调试二级运放电路的能力，能够解决实际应用中遇到的问题。
3. 培养学生使用仿真软件对二级运放电路进行仿真测试，优化电路设计。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子技术的兴趣，激发学生主动探究、创新的精神。
2. 培养学生团队协作精神，提高沟通与表达能力，学会倾听他人意见。
3. 引导学生认识到电子技术在国家发展和社会进步中的重要性，树立为国家和民族振兴贡献力量的信念。
课程性质分析：本课程为电子技术专业课程，旨在使学生掌握二级运放的基本原理、电路设计及应用，提高学生实际操作能力。
学生特点分析：二年级学生已具备一定的电子技术基础，具有较强的求知欲和动手能力，但部分学生对理论知识掌握不够扎实。
教学要求：1. 理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力。
2. 采用案例教学，提高学生的实际应用能力。
3. 强化团队合作，培养学生的沟通与表达能力。
二、教学内容1. 二级运放基本原理：讲解运放的理想模型、工作原理，重点分析差分放大电路、互补输出级电路的原理及作用。
相关教材章节：第二章第二节2. 二级运放性能参数：介绍电压增益、输入输出阻抗、带宽等性能参数，并进行简单的计算分析。
相关教材章节：第二章第三节3. 运放电路设计：讲解如何根据需求选择合适的运放型号，设计二级运放电路，包括偏置电路、反馈网络等。
相关教材章节：第二章第四节4. 运放电路的频率响应：分析影响运放电路频率响应的因素，探讨如何优化电路设计以提高频率响应性能。
相关教材章节：第二章第五节5. 仿真软件应用：介绍仿真软件在二级运放电路设计中的应用，指导学生进行电路仿真测试及优化。
两级全差动运算放大器的设计
两级全差动运算放大器的设计班级:自动化0905姓名:余陆洋学号:U200914361同组人姓名:刘洁、戴伟、王睿祺题目要求根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18um CMOS 工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：电源电压： 1.8V 第一级增益： ≥20dB 第一级GBW: ≥500MHz 两级增益： ≥80dB 相位裕度： ≥60º差分压摆率： ≥200V/us等效输入参考噪声：200nV/Hz @1MHz 负载电容： ≤1pF静态功耗： 尽可能小，不做具体要求人员分工余路洋：运放整体仿真 刘洁：网表的编写戴伟：第一级运放与第二级运放的仿真 王睿祺：电路参数的设计整体设计1） 基本参数设定mV V V TH G S 200=- V V TN 5.0=V V TP 4.0-= 4106.4-⨯=ox n C u4103.2-⨯=ox p C u2） 基本公式Lmip c g GBW π2=tn ds Dm v v I g -=2 2)(21TH GS ox D V V L WuC I -=3） 第一级运放设计：inn由题目可知，要满足设计要求最主要的是确定MOS 管的宽长比以及偏置电流。
我们取负载电容为L c =0.4Pf ，由此可确定ID 的大小，又由于mV V V TH G S 200=-所以由图可知,增益：30db,GBW>500W.4） 第二级运放设计增益>50db5）整体设计a)增益>80dbb)由下图可以看出相位裕度>60o,满足要求差分压摆率>0.4v/2ns=200V/us,所以满足要求c)等效输入参考噪声在1MHz时<200nV/Hz.d)静态功耗:网表程序*two_stage_amp.option post=2 numdgt=7 tnom=27.lib 'C:\rf018.l' tt.global VDD! GND!.PARAM************************************************************************ * Library Name: Mixer_Down* Cell Name: amp_stage_two* View Name: schematic************************************************************************.SUBCKT amp_stage_two Iref2 Vb2 Vb3 Vb4 Vcm Vin Vip Voutn Voutp*.PININFO Iref2:I Vb2:I Vb3:I Vb4:I Vcm:I Vin:I Vip:I Voutn:O Voutp:OMM7 net087 Vb2 vdd! vdd! pch l=300n w=805n m=1MM6 Voutp Vb3 net087 vdd! pch l=300n w=5.39u m=1MM5 net33 Vb2 vdd! vdd! pch l=300n w=805n m=1MM4 Voutn Vb3 net33 vdd! pch l=300n w=5.39u m=1MM12 net33 Vip net30 gnd! nch l=300n w=2u m=1MM13 net087 Vin net30 gnd! nch l=300n w=2u m=1MM11 Iref2 Iref2 gnd! gnd! nch l=280.0n w=2u m=1MM10 net30 Iref2 gnd! gnd! nch l=280.0n w=3u m=1MM3 Voutp Vb4 net42 gnd! nch l=400n w=805n m=1MM2 net42 Vcm gnd! gnd! nch l=1u w=405n m=1MM1 Voutn Vb4 net46 gnd! nch l=400n w=805n m=1MM0 net46 Vcm gnd! gnd! nch l=1u w=405n m=1.ENDS************************************************************************ * Library Name: Mixer_Down* Cell Name: amp_stage_one* View Name: schematic************************************************************************.SUBCKT amp_stage_one Iref1 Vcm Vin Vip Voutn Voutp*.PININFO Iref1:I Vcm:I Vin:I Vip:I Voutn:O Voutp:OMM5 Iref1 Iref1 vdd! vdd! pch l=1u w=105.0000u m=1MM4 net23 Iref1 vdd! vdd! pch l=1u w=900.0000u m=1MM3 Voutp Vin net23 vdd! pch l=180.0n w=705.0000u m=1MM2 Voutn Vip net23 vdd! pch l=180.0n w=705.0000u m=1MM1 Voutn Vcm gnd! gnd! nch l=180.0n w=5.645u m=1MM0 Voutp Vcm gnd! gnd! nch l=180.0n w=5.645u m=1.ENDS************************************************************************ * Library Name: Mixer_Down* Cell Name: two_stage_amp* View Name: schematic************************************************************************ *.PININFO Vb2:I Vb3:I Vb4:I Vcm:I Vin:I Vip:I Voutn:O Voutp:OCC2 Voutp gnd! 1.0000p $[CP]CC5 net048 Voutp 20f $[CP]CC3 Voutn gnd! 1.0000p $[CP]CC4 net049 Voutn 20f $[CP]XI22 net044 Vb2 Vb3 Vb4 Vcm Vin Vip net049 net048 / amp_stage_two *.SUBCKT amp_stage_two Iref2 Vb2 Vb3 Vb4 Vcm Vin Vip Voutn VoutpXI21 net076 Vcm net049 net048 Voutn Voutp / amp_stage_one*.SUBCKT amp_stage_one Iref1 Vcm Vin Vip Voutn Voutp*.SUBCKT two_stage_amp Vb2 Vb3 Vb4 Vcm Vin Vip Voutn VoutpVVin Vin 0 DC 0.9 AC 1.0VVip Vip 0 DC 0.9 AC 1.0 180VVb2 Vb2 0 0.8VVb3 Vb3 0 0.5VVb4 Vb4 0 1.3VVcm Vcm 0 0.9VVdd vdd! gnd! 1.8Iref1 net076 0 180uIref2 vdd! net044 10u*VVin Vin 0 0 PULSE 0 1.0 0.1N .1N .1N 100N 100N*RVip Vip 0 1k*.TRAN 0.1N 100N*.PRINT TRAN V(Vin) V(Voutn).AC DEC 10 1 3G.PRINT AC VDB(Voutp) VP(Voutp).noise V(Voutp) VVip 10.END。
二级运算放大器设计
二级运算放大器设计引言二级运算放大器是一种常见的电路设计，广泛应用于模拟电路中。
它的主要作用是放大输入信号，并对信号进行滤波和放大。
在本文中，我们将介绍二级运算放大器的设计原理和步骤。
设计原理二级运算放大器是由两个级联的放大器构成，其中第一个级别为输入放大器，第二个级别为输出放大器。
输入放大器负责放大输入信号，而输出放大器将输入放大器的输出信号再次放大。
采用两级放大器的设计可以获得更高的放大倍数和更好的性能。
设计步骤步骤一：确定放大器的规格和需求在设计二级运算放大器之前，需要明确放大器的规格和需求。
这包括： - 输入信号的频率范围 - 期望的增益 - 输出电阻 - 噪声和失真要求等。
步骤二：选择适当的放大器配置根据放大器的规格和需求，选择适当的放大器配置。
常见的放大器配置包括共射放大器、共基放大器、共射共基放大器等。
我们可以根据输入信号的特性和输出要求来确定最合适的放大器配置。
步骤三：计算放大器的基本参数在确定放大器配置后，需要计算放大器的基本参数，例如输入电阻、输出电阻和增益。
这些参数可以帮助我们进一步确定电路的结构和元件的取值。
步骤四：选择合适的元件根据计算结果，选择合适的元件。
例如，我们可以选择合适的晶体管、电容器和电阻器来实现所需的放大器性能。
步骤五：进行电路仿真和分析在选择元件后，进行电路仿真和分析。
可以使用电路仿真软件，如LTspice、NI Multisim等，对电路进行模拟，并分析电路的性能和响应。
步骤六：优化和调整电路根据电路仿真和分析的结果，进行必要的优化和调整。
可以尝试不同的元件取值和电路结构，以获得更好的性能和响应。
步骤七：布局和制造电路板在确定电路设计后，进行电路布局和制造电路板。
合理的电路布局可以减少干扰和噪声，并提高电路的稳定性和可靠性。
步骤八：测试和验证电路性能最后，对制造好的电路进行测试和验证。
可以使用示波器、信号发生器和频谱分析仪等仪器，对电路的增益、相位响应和稳定性进行测量和验证。
完整word版CMOS二级运算放大器设计
CMOS 级运算放大器设计（东南大学集成电路学院）一.运算放大器概述运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT或FET的电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。
它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二.设计目标1.电路结构最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 1.1所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
图1.1两级运放电路图2.电路描述电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。
M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。
M6提供给M7的工作电流。
M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。
相位补偿电路由M14和Cc构成。
M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc 一起跨接在第二级输入输出之间，构成 RC密勒补偿。
3■设计指标两级运放的相关设计指标如表1。
三.电路设计第一级的电压增益:A l =G mi R, = g m2 (r o2 11 r o4) (3.1)第二级电压增益:A2 = -G m2R^ - g m6 (r o6 H r o7) (3.2) 所以直流开环电压增益:A o — Al A2 ~ —g m2 g m6 (r o2 || r o4 )( r o6 || r o7) (3.3)单位增益带宽:G B WA O f^-gm122 c (3.4)表1两级运放设计指标偏置电流:、2R C g m6 = (W/L)14Y (W 儿)131.2g m1以上公式推导过程简略，具体过程可参考相关专业书籍。
根据这些公式关系,2根据系统失调电压:转换速率:相位补偿:■KP n (W/L)i2R ； J (W/L) (W/L)12 1(3.5)(W/L)3 (W/L)4 1(W/L)5 (W/L)6(W/L)62(W/L)7SR = min *1DS5 1DS7 — 1DS5C cC L(3.6)(3.7)(W/L)6 ((W/L)11 _ g m6 +[(3.8)四.HSPICE 仿真.title test.lib E:\h05mixddst02v231.lib tt vdd vdd 0 5 vss vss 0 0.subckt opamp vn vp out vdd vss m1 2 vn 1 1 mp w=120u l=1u m2 3 vp 1 1 mp w=120u l=1u m3 2 2 vss vss mn w=40u l=1u m4 3 2 VSS vss mn w=40u l=1u m5 1 6 vdd vdd mp w=16u l=1u m6 out 3 vss vss mn w=160u l=1u m7 out 6 vdd vdd mp w=32u l=1u * bias circuit m8 6 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m9 7 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m10 6 7 8 vss mn w=6u l=1u m11 7 7 9 vss mn w=6u l=1u m12 8 9 10 vss mn w=24u l=1u m13 9 9 vss vss mn w=6u l=1u rb 10 vss 6k* miller cc 4 out 1.5 p cl out vss 3pm14 4 7 3 vss mn w=20u l=1u .en dsx1 vn vp out vdd vss opamp x2 vp vpout1 vdd vss opamp x3 out2 vi out2 vdd vss opamp x4 vn vn out3 vdc vss opampx5 vn vn out4 vdd vsc opamp vp vp 0 dc 2.5 ac 1 vn vn 0 dc 2.5 vi vi 0 p ulse(2 3 20ns 0.1 ns 0.1 ns 200ns 400ns)根据已经计算好的器件参数,写成电路网表。
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点，使补偿后的运放只有一个极点。这就要求：
fZ
1
2
CC
(
g
m
1 6
RZ
)
gm6
2 CL
RZ
CC CL gm6 CC
(b) 消去零点。即将零点移至无穷远处。这就要求
gm6Rz 1
(c) 将零点移到左半平面略大于 GBW 的位置。一般为 1.2 倍 GBW 处（why？）， 原因：1,2GBW 处的零点既不影响幅度特性，又能很好地贡献相位裕度。
=
������������ ������������
=
������������1 2������������������
=
������������1 ������������1
������������1
1 2������������������
（5）
B 相位补偿分析：
如图 1 电路，加入一个与 Cc 的串联电阻之后，电路的零点变为：
第六章 仿真
6.1 直流增益、带宽和相位裕度
结果说明
A1 A2 增益 3dB带宽 增益带宽积 相位裕度
16.64 20.8 50.8dB 4.2MHZ 1.88GHZ 62deg
仿真结果图示
6.2 偏置电路设计：
注：此电路没有做输入偏置，后续工作应做一个 342mv 的偏置供输入。
放大器 symbol 测试
W 502.392u 502.392u 155.416u 155.416u 342.083u 104.154u 849.32u 306.99u
5.4 计算&仿真参数
DC参数 Vout Vp Vgs1 Vgs2 id1 id2
600.696mV 899.968mV 342mV 560.458mV 1.75173mA 1.35404mA
求相位裕度，即 w=GWB 时，主极点作用，增益为 1(此时假设零点不作用相移)
有：
相位裕度：
H
(
jw)
H0
(1
1 GWB )(1
GWB
)
p1
p2
=1800 arctan(GWB) arctan(GWB)=450
p1
p2因为p1Fra bibliotek是主极点,有
GWB p1
=H0
10
所以，
=1800 900 arctan(GWB)=450 p2
RZ
=g
m
1 6
1 1.2
g 1 m1
6、由于调零电阻是用 PMOS 管代替的，MOS 本身具有寄生电容，加上调零 MOS 管
后零点和主几点都会受到不可忽略的影响，还需要根须实际情况调节补偿电
容和调零 MOS 管的参数。
第五章 参数说明：
5.1 设定指标参数
Vdd Vout 第一级增益A1 第一级增益A1 带宽
之间有如下关系
即 λ 反比于 L。
1 =VE L
2.2 频率特性分析
A 对图 2 进行小信号分析：
右半平面零点：������������
=
������������2 （未补偿）（2）
2������������������
主极点：������������
=
1 2������������1������2������������2
5.2 设定参数：
电压参数 Vp Vx Vb
1.1V 600mV 21倍 16倍 10MHZ
900mV 500mV 600mV
电容参数 CL Cc
100fF 1.5pF—>2.0pF
5.3 工艺器件参数
管子参数 MOS管 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M14
L 200n 200n 300n 300n 40n 200n 400n 110n
图 1 二级运放电路
第二章 设计指标
表1 设计指标
设计指标
增益带宽最大化
工艺参数
40nm 工艺
面积
不要求
负载电容
100fF
输出共模电压
0.6V
静态功耗
不要求
增益
大于50dB
单位增益带宽
Maximize
相位裕度
大于60o
转换速率
无
共模抑制比
无
等效输入噪声
无
第三章 理论计算 3.1 静态特性
暂不考虑调零电阻 M14，绘出电路的等效模型。
3.2 频率特性 在图 2.3 所示的等效电路中，C1 为第一级输出节点到地的总电容，有
C1 CGD2 +CDB2 CGD4 CDB4 CGS6
C2 表示第二级输出节点与地之间的总电容
C2 CDB6 CDB7 CGD7 CL
综上考虑，电路的主极点
次极点
fd
1 2 R1R2Gm2Cc
������������
（3）
次极点：������������������
=
������������2 2������������������
=
������������2 ������������2
������������2
1 （4）
2������������������
单位增益带宽：������������������
GWB
A1 A2
fd
gm1 2 CC
gm1 id
id 2 CC
4、根据次极点公式，和为满足相位裕度高于 60 ,次级点必须移动到 2.2GWB 处
条件，求得第二级的漏电流 id 。
5、确定调零电阻大小。根据第三种方法，将零点移动到 1.2 倍 GBW 处，用该调 零电阻公式计算调零电阻大小
图 2.2 等效电路模型
图中每一级都是互导放大器，由于第一级差分输入对管 M1 与 M2 相同，有
GM 1 gm1 gm2
R1 表示第一级输出电阻，其值为
R1 ro2 ||ro4
则第一级的电压增益
对于第二级，有
A1 Gm1R1 gm2 (ro2 ||ro4 )
二级的电压增益
R1 ro6 ||ro7
CMOS 两级运算放大器设计文档
2014.01.13
第一章 概述 第二章 设计指标 第三章 理论计算 第四章 设计步骤 第五章 参数说明 第六章 仿真 第七章 设计总结
目录
第一章 概述
本文档设计了一个基于 simc040 工艺的两级运放，电路结构如图 1 所示，运放采 用两级结构，第一级是差分输入级，镜像电流源作负载，第二级是共源放大输出 级，PMOS 管做负载。由于两级结构至少有两个级点，相位偏移至少会达到 1800， 因此需要用密勒电容 Cc 进行补偿，同时为增大相位裕度，需加一个调零电阻， 将零点移到左半平面适当位置(1.2GBW 处)，此处可用一个 NMOS M14 实现。偏置 电路暂不考虑。本设计电源电压采用 1.1V,负载电容 100fF。
A2
16
)，求得
gm id
；
3>
对单管
M6
进行
Vgs
系数仿真，求得
gm id
值对应的Vgs 。
2、根据同样的方法，确定第一级的驱动电压Vgs1 (第一级的输出端口电压为第二
级的驱动电压Vgs2 )。
3、根据主(第一级)极点(带宽)指标求出增益带宽积 GWB，然后公式+仿真求出第 一级电流 id 。
CMRR=346/3.81=90.84=39.2dB(共模抑制比太小,至少应该达到 100dB, 但不知如果改进)。
6.4 电源抑制比
下图为电源到输出增益的测试电路，用差模信号增益除以电源增益即得到电源抑 制比。仿真结果，电源增益为 21.6dB(12.02 倍）。 所以电源抑制比为：346/12.02=28.8=29.2dB。(电源抑制比太小，这可能会导致 放大器完全不能工作) .
Gm2 gm6
A2 Gm2R2 gm6 (ro6 ||ro7 )
故总的直流开环电压增益为
A0 A1A2 gm2gm6 (ro2 || ro4 )(ro6 || ro7 )
MOS 管的寄生电阻 ro 由下式决定
r0
1 ID
VE L ID
其中 λ 是沟道长度调制系数，VE 为厄利电压，L 为管子的有效沟道长度。它们
lg(GBW )= 2 p2 3
p2 101/3GBW 2.15GBW
3.3 调零电阻 在补偿电容上串接此电阻后，电路的主极点和次极点不发生改变(why?)，而零点 则变为
fZ
1
2
CC
(
g 1 m6
RZ
)
其中 fZ 带符号。
通过调节调零电阻来控制零点位置，主要有三种控制零点的方法：
(a) 零点移到左半平面并与第二极点重合，即 fz＝fp2。这样一来可以消去第二极
6.5 噪声 6.6 压摆率
由图可知，放大器的上升建立时间为约 1.3ms,建立与负载电容有关。
第七章总结： 本文档设计了一个基于 simc040 工艺的弥勒补偿两级运算放大器，设计理论
和设计思路都比较简单，可供初学者参考。由于笔者知识水平和写作水平有限， 不足之处请多多包涵！
两级的增益是如何分配的？
A2
gm6 (ro6||ro7 )
gm id
id
(ro6||ro7 )
id
ro
1
,正比于沟道长度
L
1> 通过单管仿真(设定好相应的端口电压)，得到 M6、M7 的 gds ;(注意:为保证 id