复旦大学模拟电路二级运放实例
二级密勒补偿运算放大器设计教程
复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器(1)_OK
造成gm随Vin的变化不明显，提高电路的
RD
线性度。
Vout 从电流方程推导增益：
Vin M1
Vout VDD I D RD
Rs
AV
Vout Vin
ID Vin
RD
Gm RD
Id随Vin的增加缓慢，而不再是平方律关系23
共源放大器
推导Gm：
Gm
ID Vin
I D VGS
VGS Vin
Vout Vdd-Vth2
a) 当 Vin VTH 1,Vout VDD VTH 2 b) 当 Vin VTH 1, M1、M2 饱和
A
Vth1
Vin
1
2
nCox
W L
1
Vin
VTH 1
2
1 2
nCox
W L
2
VDD Vout
VTH 2
2
W L
1
Vin
VTH 1
可忽略
4
分压电路
二级管分压电路：M2采用PMOS,消除体效应。
M2 Vo=VDS1
I D1 I D2 Vo VDS1
2 1
VDS 2 VTH 2
VTH 1
M1
VDS1 VDS2 VDD
例：VDD 5V ,VTH1 1V ,VTH 2 1V ,
nCox 2.5105 A /V 2 , pCox 1.25105 A /V 2
M1 饱和
11
共源放大器
Vout
Vout VDD I D RD
VDD
1 2
μnCox
W L
Vin VTH
2 RD
Vin ,Vout Vout Vin1 VTH
两级运放仿真结果
1.共模输入范围ICMR的仿真利用单位增益结构来测量共模输入范围ICMR，仿真电路图如下:仿真网表如下：*AMP_ICMR *** 共模输入范围测试***X1 VDD VSS VINP VOUT VOUT AMP ***调用子网表,端口对应相连,注意****VOUT与VINN 是相连的*** .GLOBAL VDD ***定义全局VDD****VDD VDD 0 5 ***VDD输入5V电压***VSS VSS 0 0 ***VSS为0V***VINP VINP 0 3 ***运放正端VINP输入3V**.OP ***直流分析***.DC VINP 0 5 0.01 ***直流扫描,从0 ~ 5V,间隔0.01V**.PROBE DC V(VOUT) ***打印输出直流电压VOUT***.PROBE DC I1(M5) ***打印输出直流尾电流I5**.lib'sm0351.lib' TT ***调用工艺库***.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2 ***选择设置INGOLD=2 CSDF=2*** .END ***电路描述结束***分析：仿真时，VINP从0扫描到5V 。
当VINP较小时，刚刚进入共模输入范围时，运放的尾电流I5进入饱和区，达到静态值，将此作为ICMR的起点，当VINP较大时，离开共模输入范围时，输出电压VOUT不再跟随VINP线性变化，将此作为终点。
仿真得到的波形如下：（输出VOUT）(运放尾电流I5)结果分析：从波形可以看出，当尾电流I5进入饱和区时，输出电压为1.5V，当输出电压不再跟随输入VINP线性变化时，输出电压值为4.6V。
满足设计要求。
2.输出电压范围的仿真在单位增益中，传输曲线的线性受到ICMR的限制，在高增益下结构下，输出曲线的线性部分与放大器的输出电压范围一致，下面采用增益为10的结构电路图仿真：仿真网表如下：*AMP_AMP_OUTPUT **输出摆幅测试**X1 VDD VSS VINP VINN VOUT AMP ***调用子网表,端口与子网对应相连*** R1 VINN 0 10K ***在运放负输入端和地之间接10K电阻** R2 VOUT VINN 90K ***运放输出端和负输入端接90K电阻** .GLOBAL VDD ***定义全局VDD****VDD VDD 0 5 ***VDD输入5V电压***VSS VSS 0 0 ***VSS为0V***VINP VINP 0 2 ***运放正端VINP输入2V**.OP ***直流分析***.DC VINP 0 5 0.01 ***直流扫描,从0 ~ 5V,间隔0.01V**.PROBE V(VOUT) ***打印输出电压VOUT***.lib'sm0351.lib' TT ***调用工艺库***.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2 ***选择设置INGOLD=2 CSDF=2***.END ***电路描述结束***分析：当直流电压VINP从0扫面到5V时，得到输出电压的波形如下：结果分析：个从仿真结果大致可以看出，输出电压范围与曲线中增益为10的线性范围一致的条件下得到输出电压范围在500mVd到4.8V之间，基本满足设计要求。
复旦大学模拟电路二级运放实例
udan
专用集成电路与系统国家重点实验室
RFIC
整理者
版本号 1.0
日期 2007.10.10
说明 详细介绍二级运放原理和设计仿真， 供新手 入门参考
尹睿
版权所有，不得侵犯！传播与修改请保留版权信息。
目录
1 2 引言 ..................................................................................................................... 1 电路分析 .............................................................................................................. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 电路结构 ....................................................................................................... 2 电路描述 ....................................................................................................... 2 静态特性 ....................................................................................................... 3 频率特性 ....................................................................................................... 5 相位补偿 ....................................................................................................... 7 调零电阻 ....................................................................................................... 7 偏置电路 ..................................................................................................... 10 共模输入范围 .............................................................................................. 13 输出动态范围 .............................................................................................. 13 单位增益带宽（GBW） .............................................................................. 14 输入失调电压 .............................................................................................. 14
二级CMOS放大器的电路与版图设计
《IC设计实践》报告姓名：潘阿成学号：200881229院系：电子科学与技术学院专业：集成电路设计与集成系统2012年2月25日目录一、设计目标 (1)二、设计平台 (1)三、原理图设计 (1)1、电路结构与工作原理 (1)2、手工计算电路参数 (2)3、仿真、分析与参数调整 (6)4、电路参数仿真结果汇总 (14)四、版图设计 (15)1、版图层次及常用设计规则 (15)2、DRC验证与版图修改 (16)3、LVS验证与版图修改 (17)五、寄生参数提取与后仿真 (117)六、小结 (19)一、设计目标通过使用mentor软件设计一个两级运算放大器，并且使其满足以下指标，如表1所示。
电源电压VDD 5V 共模抑制比CMRR >60dB直流增益Av >60dB 电源抑制比PSRR >60dB 单位增益带宽GB >5MHz 负载电容CL 8pF输入共模范围ICMR 2~4.5V 沟道长L >0.5um输出摆率V out 2~4.8V 功耗P <2mW压摆率SR >10V/us表1 运算放大器设计指标二、设计平台mentor软件及华润上华工艺库0.5um P衬底N阱双多晶硅三层金属混合信号工艺。
三、原理图设计1、电路结构与工作原理电路结构如图1所示。
图1 二级运放电路结构该电路的组成与工作原理：图1中有多个电流镜结构，M5的电流在M1与M2组成的差分对中被平分，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。
图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。
2、手工计算电路参数本次实践使用的工艺是华润上华工艺库0.5um P 衬底N 阱双多晶硅三层金属混合信号工艺。
复旦电子工程系模电课件
模拟电子学基础
23
复旦大学电子工程系 陈光梦
对数和指数放大器
二极管的电流-电压关系近似为
iD
Is
exp( vD VT
)
电压-电流关系近似为
vD
VT
ln
iD Is
利用二极管的上述伏安特性，结合函数电路原理， 可以用二极管构成对数放大器和指数放大器
2020/12/13
模拟电子学基础
24
复旦大学电子工程系 陈光梦
模拟电子学基础
第6章 信号处理电路
复旦大学电子工程系 陈光梦
复旦大学电子工程系 陈光梦
运算电路
两个基本放大电路 加减运算
微分与积分运算 对数和指数运算
乘法器
2020/12/13
模拟电子学基础
2
复旦大学电子工程系 陈光梦
两个基本放大电路
同相放大器
反相放大器
R2
vi
Rf
vo
R1
vi
vo
R1
Rf
R2
vo
VCC
RL
RL
vo
T1
T2
T3 RE
2020/12/13
模拟电子学基础
31
复旦大学电子工程系 陈光梦
Gilbert乘法器
实际电路中考 虑了利用对称 晶体管的温度 补偿等性质， + 使得电路特性 vi1 更为理想
+ vi2
vo
IQ RL 4VT 2
vi1
vi2
T1 T2 T5 IQ
2020/12/13
2020/12/13
模拟电子学基础
12
复旦大学电子工程系 陈光梦
减法器
Rf
两级运算放大器的仿真验证
实验一、两级运算放大器的仿真验证一、实验目的1、学习集成运算电路单元的设计参数的仿真、测试、验证。
2、学习采用Cadence工具实现IC电路设计的基本操作和方法，包括电路图的编辑以及仿真调试过程。
二、实验内容本实验通过设计一个两级运算放大器电路学习Cadence工具下电路的设计和仿真方法。
实验内容包括：1.熟悉Cadence界面及基本的建立新的cell文件等基本过程；2.完成两级运算放大器电路的设计；3.利用Cadence的仿真环境得到波形，分析仿真结果。
该电路设计采用上华CSMC0.5umCMOS工艺设计，工作电压5V。
三、实验原理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。
1.共模抑制比：差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是Common Mode Rejection Ratio，因此一般用简写CMRR来表示，符号为Kcmr，单位是分贝db。
2.共模输入范围：是指在差分放大电路中，二个输入端所加的是大小相等，极性相同的输入信号叫共模信号，此信号的范围叫共模输入信号范围。
3.电源抑制比：是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量（以伏为单位）的比值(PSRR)，常用分贝表示。
通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。
二级运算放大电路版图设计
1前言12二级运算放大器电路 12.1电路结构 12.2设计指标 23 Cadence仿真软件 33.1 schematic原理图绘制 33.2 生成测试电路 33.3 电路的仿真与分析 43.1.1直流仿真 43.1.2交流仿真 43.4 版图绘制 53.4.1差分对版图设计 63.4.2电流源版图设计 73.4.3负载MOS管版图设计 73.5 DRC & LVS版图验证 83.5.1 DRC验证 83.5.2 LVS验证 8 4结论 95参考文献 9本文利用cadence软件简述了二级运算放大器的电路仿真和版图设计。
以传统的二级运算放大器为例，在ADE电路仿真中实现0.16umCMOS工艺，输入直流电源为5v，直流电流源范围27~50uA,根据电路知识，设置各个MOS管合适的宽长比，调节弥勒电容的大小，进入stectre仿真使运放增益达到40db，截止带宽达到80MHz和相位裕度至少为60。
版图设计要求DRC验证0错误，LVS验证使电路图与提取的版图相匹配，观看输出报告，要求验证比对结果一一对应。
关键词：cadence仿真，设计指标，版图验证。
AbstractIn this paper, the circuit simulation and layout design of two stage operational amplifier are briefly described by using cadence software. In the traditional two stage operational amplifier as an example, the realization of 0.16umCMOS technology in ADE circuit simulation, the input DC power supply 5V DC current source 27~50uA, according to the circuit knowledge, set up each MOS tube suitable ratio of width and length, the size of the capacitor into the regulation of Maitreya, the simulation of stectre amplifier gain reaches 40dB, the cut-off bandwidth reaches 80MHz and the phase margin of at least 60.. The layout design requires DRC to verify 0 errors, and LVS validation makes the circuit map matching the extracted layout, viewing the output report, and requiring verification to verify the comparison results one by one.Key words: cadence simulation, design index, layout verification.1前言近几年来，人们已投入很大力量研究版图设计自动化，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。
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3.6.1 定义 ........................................................................................................ 16 3.6.2 两级运放的 CMRR .................................................................................. 17 3.7 电源抑制比（PSRR） ................................................................................ 18 3.7.1 定义 ........................................................................................................ 18 3.7.2 两级运放的 PSRR ................................................................................... 19 3.8 转换速率（Slew Rate） ............................................................................. 21 3.8.1 定义 ........................................................................................................ 21 3.8.2 两级放大器的 Slew Rate ......................................................................... 22 3.8.3 单位增益带宽 GBW 和压摆率 SR............................................................ 23 3.9 噪声 ............................................................................................................ 24 3.9.1 低频噪声 ................................................................................................. 24
3.9.2 输入积分噪声 .......................................................................................... 25 4 电路设计 ............................................................................................................ 26 4.1 4.2 4.3 MOS 工作区域 ............................................................................................ 26 过驱动电压的影响....................................................................................... 27 约束分析 ...................................................................................................................................................................................... 27 4.3.2 静态功耗 ................................................................................................. 27 4.3.3 面积 ........................................................................................................ 27 4.3.4 直流增益 ................................................................................................. 28 4.3.5 共模抑制比 .............................................................................................. 28 4.3.6 电源抑制比 .............................................................................................. 28 4.3.7 转换速率 ................................................................................................. 28 4.3.8 等效输入噪声 .......................................................................................... 28 4.4 4.5 相位补偿 ..................................................................................................... 29 计算参数 ..................................................................................................... 29
设计指标 ............................................................................................................ 13
3.4.1 系统失调电压 .......................................................................................... 14 3.4.2 随机失调电压 .......................................................................................... 15 3.4.3 工艺失配参数 .......................................................................................... 16 3.5 3.6 静态功耗 ..................................................................................................... 16 共模抑制比（CMRR） ............................................................................... 16
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版本号 1.0
日期 2007.10.10
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1 2 引言 ..................................................................................................................... 1 电路分析 .............................................................................................................. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 电路结构 ....................................................................................................... 2 电路描述 ....................................................................................................... 2 静态特性 ....................................................................................................... 3 频率特性 ....................................................................................................... 5 相位补偿 ....................................................................................................... 7 调零电阻 ....................................................................................................... 7 偏置电路 ..................................................................................................... 10 共模输入范围 .............................................................................................. 13 输出动态范围 .............................................................................................. 13 单位增益带宽（GBW） .............................................................................. 14 输入失调电压 .............................................................................................. 14