7两级CMOS运算放大器设计分析
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着电子技术的飞速发展，运算放大器（Op-Amp）在信号处理和数据分析中的应用越来越广泛。
在众多类型的运算放大器中，CMOS（互补金属氧化物半导体）高性能运算放大器因其低功耗、高速度和高精度的特性而备受关注。
本文旨在研究并设计一款CMOS高性能运算放大器，以适应现代电子系统的需求。
二、CMOS运算放大器的基本原理与特点CMOS运算放大器利用互补金属氧化物半导体技术，通过P 型和N型晶体管的组合，实现高精度、低噪声和低功耗的信号处理。
其基本原理是通过差分输入和共源共栅放大的方式，实现信号的放大和传输。
CMOS运算放大器具有以下特点：1. 高精度：由于采用差分输入方式，CMOS运算放大器具有较高的共模抑制比（CMRR），能够有效抑制共模噪声。
2. 低噪声：CMOS器件的噪声性能优异，能够满足低噪声信号处理的需求。
3. 低功耗：CMOS器件具有较低的电压摆幅和较低的静态电流，从而实现低功耗设计。
三、高性能CMOS运算放大器的设计要求为了满足现代电子系统的需求，高性能CMOS运算放大器的设计应遵循以下要求：1. 宽动态范围：能够处理大信号输入范围，并保持较高的增益和精度。
2. 高带宽：具备较快的响应速度，以适应高速信号处理的需求。
3. 低噪声：在保持高增益的同时，尽可能降低噪声性能，提高信噪比。
4. 低功耗：在保证性能的前提下，尽可能降低功耗，延长电池使用寿命。
四、CMOS高性能运算放大器的设计方法针对上述设计要求，本文提出以下设计方法：1. 优化电路结构：采用差分输入、共源共栅放大的电路结构，提高电路的对称性和稳定性。
同时，通过优化晶体管尺寸和偏置电流，提高电路的增益和带宽。
2. 降低噪声性能：通过优化电路布局、减小晶体管失配以及采用低噪声器件等方法，降低电路的噪声性能。
3. 降低功耗：采用低电压摆幅和低静态电流的设计方法，降低电路的功耗。
同时，通过优化偏置电路和电源管理策略，进一步提高功耗性能。
CMOS运算放大器的分析及设计毕业设计论文(可编辑)
摘要随着集成电路工艺的发展,CMOS电路由于其低成本、低功耗以及速度的不断提高,在集成电路中获得越来越广泛的应用。
CMOS运算放大器也因其独特的性能优势常被用于模拟集成系统或子系统中,它的性能的好坏直接决定了整个模拟集成系统性能的好坏。
因此,有必要对用CMOS运算放大器进行深入的学习和研究。
CMOS运算放大器作为模拟集成电路最重要的功能模块,其设计一般包括以下几个步骤:确定设计要求;设计或综合;仿真;几何版图设计;版图后仿真;流片;测试。
本论文主要对两级CMOS运算放大器进行了前端设计及仿真。
论文在确定了两级CMOS运放设计规范要求的基础上,设计了两级CMOS运算放大器的基本电路结构,分析了各组成模块的电路功能,,通过分析性能参数与MOS管几何参数的关系,得到了电路中各MOS管的宽长比。
论文在介绍仿真环境OrCAD的结构特点及其工作性能的基础上,对所设计的电路进行了PSpice软件仿真,得到了设计电路的直流工作点、瞬态以及频率特性的仿真结果。
仿真结果分析表明所设计的电路符合预期的设计要求和设计指标,也验证了设计的两级CMOS运算放大器的可靠性和可行性。
关键词:CMOS;运算放大器;PSpice仿真;小信号放大;频率响应AbstractWith the development of CMOS technique, CMOS integratedcircuits have become the mainstream of integrated circuits techniques, due to its low cost, low power consumption and continuously improved speed. As the CMOS process has good performance merits, therefore the operational amplifier combined with CMOS technique has been widely used because of its unique performance.As the most important functional module in analog integrated circuits, the design of CMOS operational amplifier includes several steps as follows: determination design requirements, design or synthesis, simulation, design geometric layout, post-layout simulation, tape-out and test. The formal steps of the design of the two-stage CMOS operational amplifiers was provided in this paper, and the basic circuit structures of the two-stage CMOS operational amplifier was introduced. Based on determining the op-amp design specifications, the relationship between performance parameters and transistor geometry parameters was analyzed and the ratio of the transistors width to length was calculated. As a kind of simulation tool, the structural characteristics and work performance of OrCAD was described in detail. The feasibility of the design was determined by using PSpice simulation. Analysis of bias point, transient and the frequencycharacteristics of the circuit have been completed in this paper, and the simulation results showed that the designed circuit meets the design requirements and targets, also design the reliability and feasibility of the two-stage CMOS operational amplifier has been comfired.Key words: CMOS;Operational amplifier;Pspice simulation;Small signal amplification;Frequency response 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
cmos两级级联运算放大器电路
CMOS两阶段的级联操作放大器电路就像集成电路（IC）技术的超级
英雄。
由于其放大和冷却的金属—氧化—半导体（CMOS）技术的双重阶段，这个电路用高增益和增加带宽来打包一拳。
这就像瑞士军队
的刀模拟信号处理，准备应对任何挑战的方式。
无论是放大音频信
号还是在传感器中压缩数字这个电路都是你用来模拟一切的下一次
你需要信号助推，只要呼叫CMOS两级级级的操作放大器电路， IC
世界的无声英雄！
这个CMOS两阶段操作放大器的第一部分有几台晶体管，它们一起工作来提升输入信号，然后还有这个电流镜的东西可以帮助负载。
这个
第一阶段基本上为第二部分铺设了舞台。
第二阶段类似于encore，它能增加更多的收益，并有助于提升输出电压。
很酷的是，第一阶段的
输出只是直接插入第二阶段的输入，所以它就像这种双功率提升的配置。
CMOS两阶段的级联操作放大器电路具有重大优点，包括收益高、输
入阻力高以及铁路对铁路输出摇摆。
它适合需要大量扩展的应用程序，特别是在数据获取系统、传感器接口和音频信号处理领域。
电路的配
制和加强涉及仔细考虑晶体管的尺寸、偏差和计费技术，所有这些技
术都是为了达到所期望的性能指标。
CMOS 两级运算放大器设计
1 1+ gm6 ro6 || ro7
=
λn + λp
2
I DS1,2
Cc
Cc
单位增益带宽为
I DS 6,7
2KPn (W
L) 6
第 7 页 / 共 26 页
CMOS 两级运放设计
宫志超
ϖ0
=
Avϖ
p1
=
1 Cc
2I
DS1,2 KPp
⎛ ⎜⎝
W L
⎞ ⎟⎠1,2
=
gm1,2 Cc
3.2.5 传输函数 下面计算第二级的传输函数，如图 8 所示，是第二级的等效电路，传输函数为
3.1 直流分析
3.1.1 直流功耗
( ) ( ) 令 IDS8 = IDS9 = IB ， P = VDD IDS8 + IDS9 + IDS5 + IDS 7 = VDD 2IB + 2IDS1,2 + IDS 6,7
3.1.2 偏置电流
图 2 计算偏置电流等效电路
第 3 页 / 共 26 页
CMOS 两级运放设计
( ) Vout2
= −Δv 1 1 + 2gm1,2ro5
gm1,2 gm3,4
gm6
ro6 || ro7
，若过载电压都相等，则可整理得
Vout 2
=
−Δv
λp λn + λp
设Vo+ut 为正电源变化引起得总输出变化，可得Vo+ut = Vout1 + Vout2 = 0 ，因此正电源抑制比为 ∞。
定输出点直流电平。
VGS 3 = VGS 4 = VGS 6 → Vov3 = Vov4 = Vov6
CMOS两级运算放大器-设计分析报告
CMOS两级运算放大器-设计报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：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(7)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。
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。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器研究与设计一、本文概述随着现代电子技术的飞速发展，高性能运算放大器（Operational Amplifier，简称运放）作为电子系统的核心元件，其性能对整个系统的性能有着至关重要的影响。
特别是互补金属氧化物半导体（CMOS）技术下的高性能运算放大器，因其低功耗、高集成度、优良的温度稳定性和较小的噪声特性等优点，在模拟信号处理、通信、医疗仪器、测试测量等领域有着广泛的应用。
本文旨在深入研究CMOS高性能运算放大器的设计与实现技术，分析影响其性能的关键因素，探索提升性能的有效方法。
文章将首先回顾CMOS运算放大器的发展历程，分析其基本工作原理和性能指标。
然后，将重点探讨CMOS高性能运算放大器的电路设计技术，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路等关键部分的设计原则和实现方法。
文章还将讨论CMOS运算放大器的噪声优化、功耗优化和稳定性提升等关键技术，并给出具体的设计实例和实验结果。
本文的目标是为CMOS高性能运算放大器的设计者提供一套完整的设计理念和方法论，帮助他们在满足性能要求的实现更低的功耗、更小的面积和更高的可靠性。
也希望通过本文的研究，能够为CMOS 运算放大器的发展和应用提供新的思路和方向。
二、CMOS运算放大器的基本原理运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种广泛应用于模拟信号处理电路中的核心元件，它能在宽频率范围内提供高放大倍数、高输入阻抗和低输出阻抗。
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）运算放大器则是以CMOS工艺制造的运算放大器，具有低功耗、低噪声和高集成度等优点，因此在现代电子系统中得到了广泛应用。
CMOS运算放大器的基本原理主要基于差动放大电路和反馈网络。
差动放大电路由两个结构相同、性能对称的晶体管构成，通过差分输入信号控制两个晶体管的导通程度，从而实现信号的放大。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器探究与设计引言：随着科技的不息进步和应用的广泛推广，运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）作为一种重要的模拟电路器件，得到了广泛的关注和应用。
CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术由于其功耗低、集成度高等优势，被广泛应用于运算放大器的探究和设计中。
本文将介绍CMOS高性能运算放大器的探究与设计，主要包括运算放大器的基本原理、运算放大器的基本电路结构、CMOS技术的特点和优势、CMOS高性能运算放大器的设计方法和优化技术等方面。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种特殊的差动放大器，它能够实现电压放大、电流放大、功率放大等功能。
运算放大器有两个输入端，一个非反相输入端和一个反相输入端；有一个输出端和一个电源端，电源端一般有正电源和负电源两个。
在抱负状况下，运算放大器具有无限的增益、无限的输入阻抗和零的输出阻抗。
但实际状况下，由于运算放大器的内部结构等因素的限制，无法完全满足抱负的条件。
因此，在运算放大器的设计中，需要思量如何提高增益、输入阻抗和输出阻抗等性能指标。
二、运算放大器的基本电路结构运算放大器的基本电路结构由差动放大器、电压放大器和输出级组成。
差动放大器用于实现输入信号的差分放大，电压放大器用于实现信号的放大，输出级用于驱动负载电阻。
差动放大器由两个晶体管组成，一个晶体管作为非反相输入端，另一个晶体管作为反相输入端。
通过调整两个晶体管的尺寸比例，可以实现不同的放大倍数。
电压放大器由级联的共源放大器组成，通过逐级放大，实现信号的放大。
输出级由差分放大器和输出级筛选电路组成，通过差分放大器将信号转化为可驱动负载电阻的电流信号，再经过输出级筛选电路，将电流信号转化为电压信号。
三、CMOS技术的特点和优势CMOS技术是一种基于金属-氧化物-半导体（MOS）结构的半导体制造技术。
与传统的bipolar技术相比，CMOS技术具有以下特点和优势：（1）功耗低：CMOS电路在静态状态下几乎不消耗电流，功耗分外低，适合于低功耗应用的场合。
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着微电子技术的快速发展，CMOS（互补金属氧化物半导体）技术已成为现代集成电路设计的主流技术。
运算放大器（Op-Amp）作为电子系统中的关键组件，其性能的优劣直接影响到整个系统的性能。
因此，对CMOS高性能运算放大器的研究与设计具有重要的实际应用价值。
本文将重点研究CMOS高性能运算放大器的设计原理、性能优化以及实际应用。
二、CMOS运算放大器的基本原理CMOS运算放大器是一种利用CMOS工艺制造的模拟电路器件，具有高精度、低噪声、低功耗等优点。
其基本原理是通过差分输入、差分输出以及电压增益等方式实现信号的放大和处理。
CMOS运算放大器的核心部分是差分对管和反馈网络，通过合理的电路设计和参数优化，可以实现高性能的运算放大器。
三、CMOS高性能运算放大器的设计1. 电路结构设计：CMOS高性能运算放大器的电路结构设计是关键。
在设计中，需要考虑差分对管的匹配性、反馈网络的稳定性以及噪声的抑制等因素。
常用的电路结构包括折叠式共源共栅结构、套筒式结构等。
这些结构在实现高电压增益的同时，还需要考虑功耗、噪声等性能指标的优化。
2. 参数优化：在CMOS高性能运算放大器的设计中，参数优化是必不可少的环节。
通过对差分对管的尺寸、偏置电流、反馈网络的电阻值等参数进行优化，可以提高运算放大器的性能。
此外，还需要考虑电路的匹配性、温度稳定性等因素，以确保运算放大器在不同条件下的性能稳定性。
3. 工艺选择：CMOS工艺的选择对运算放大器的性能有着重要影响。
在设计中，需要根据实际需求选择合适的工艺，如特征尺寸、阈值电压等。
同时，还需要考虑工艺的成熟度、生产成本等因素。
四、性能优化1. 增益与带宽：为了提高CMOS高性能运算放大器的性能，需要优化其增益和带宽。
通过合理的电路设计和参数优化，可以提高运算放大器的增益，同时保证足够的带宽以满足实际应用需求。
2. 噪声抑制：噪声是影响CMOS运算放大器性能的重要因素之一。
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1 RII C II
西安电子科技大学
有补偿两级运放的小信号模型
相位裕度（Phase Margin）
失调电压（Offset Voltage） 建立时间（Setting Time）
45< PM< 75
VOS<20mV TSET<1us
电源抑制比（PSRR）
共模抑制比（CMRR）
>60dB
>60dB
输出电压摆幅（Output Voltage Swing） >1.5V（Rail-to-Rail：0~3.3V）
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两级CMOS运放的稳定性分析
也就是说，稳定性是由单位开环增益的相位值决定的，即由相位裕度决定。 所以系统稳定性的重要体现就是运放的相位裕度较大，一般运放的相位裕度 要求在60o左右。
12
西安电子科技大学
无补偿两级运放的小信号模型
无补偿运放的二阶模型，为使结果通用，用角标I表示第一级的元件，角标II代
芯片面积（Silicon Die Area）
6
西安电子科技大学
两级CMOS运算放大器的基本结构
（a） 无补偿运放
（b）有补偿运放
M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等; 两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极 点，因而降低了运放的相位裕度; 为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第二级之间中加入 补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过
导与输出阻抗的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益 ；
共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路 的输出摆幅 ；
提出两级放大器的结构。
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西安电子科技大学
CMOS两级运算放大器的基本特性（性能指标）
直流开环增益（DC Open-Loop Gain） >70dB 单位增益带宽（Unit-Gain Bandwidth） >5MHz
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补偿电容的反馈作用，把两个极点拉开。
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密勒定理
（a）
（b）
Z1
V Y X
Z Z , Z2 1 AV 1 AV 1
A V / V ，是所关心频率下的小信号增益， 式中， 通常为简化计算，我们一般用低频增益来代替AV， 这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。
8
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Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design --两级CMOS运算放大器设计
西安电子科技大学微电子学院 刘帘曦
1
西安电子科技大学
一、运放的概念、组成与电路结构
运算放大器（简称运放）是模拟电路和混合信号电路中最主要的电路
模块之一。将运算放大器配以各种辅助电路，则可以实现对输入信号
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二、两级运放的频率补偿
运放一般用在负反馈结构中，在此结构中，相当高而又不确定的开环增益和
反馈一起作用，可以获得一个很准确的转移函数，它是含有反馈参数的函数
下图表示了一种通用的负反馈结构，图中A是放大器增益，通常是运放的开 环差分电压增益，F是从运放的输出通过负反馈，回到输入的转移函数 如果直流开环增益A(0)在1000到2000之间，而F(0)＝1，则前向增益在0.999 到0.9995之间变化。如果回路增益很高，则可用反馈网络来精确控制前向转 移函数。这就是运放的应用原理。
9
反馈系统
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两级CMOS运放的稳定性分析
反馈信号必须满足一定的相位和幅值条件，以避免信号产生再生现 象，即满足下式：（如果出现了再生，就可能使运放产生振荡 ）
A jw0 F jw0 L( jw0 ) 1
其中ω0定义为：
Arg A( jw0 )F ( jw0 ) ArgL( jw0 ) 0
表第二级的元件;
其中RІ（RІІ）是从运放的第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电阻， CІ（CІІ）是从运放地第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电容。
C Cgd 2 Cgd 4 Cgs5 Cdb2 Cdb4
C Cgd 6 Cdb5 Cdb6 CL
的放大、微分、积分、求积、对数等运算功能；
理论上说，运放的差模电压增益为无限大，输入阻抗也是无限大，输
出阻抗为零，但实际的运放的性能只能接近这些值 ；
运放作为一种有足够正向增益的放大器，当加上负反馈时，其闭环转 移函数与运放增益无关 ；
2
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CMOS运算放大器的基本分类
两级CMOS运算放大器 套筒式共源共栅CMOS运算放大器（单级） 折叠共源共栅CMOS运算放大器（单级） Rail-to-Rail CMOS运算放大器 Chopper CMOS运算放大器
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两级CMOS运算放大器设计
一、两级运放的概念、组成与电路结构 二、两级运放的频率补偿 三、两级运放的一般设计方法 四、两级运放的仿真和测试 五、两级运放的版图设计
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两级CMOS运算放大器的提出
差分放大器可以称为一级运算放大器，其电路的增益由输入对管的跨
上述条件也等价为：
Arg A( jw0dB )F ( jw0dB ) Arg L( jw0dB ) 0
其中ω0定义为：
A jw0 dB F jw0 dB L( jw0 dB ) 1
10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
西安电子科技大学
波特图
1、幅频曲线中，每经过一个极点ωP(零点ωZ)，曲线斜率以-20dB/dec (+20dB/dec )变化。 2、相频曲线中，相位在0.1ωP(0.1ωZ)处开始变化，每经过一个极点ωP(零点 ωZ)，相位变化-45° (±45°)，相位在10ωP(10ωZ)处变化-90° (±90°) 3、一般来讲，极点 (零点)对相位的影响比对幅频的影响要大一些。
A0'' Vout ( s) gm1R1 g m R'' 传输函数 ： Vin (s) ( s ' )( s ' ) ( s ' )( s ' )
13
1 ` P 两个极点的位置： I RI C I
` PII