CMOS两级运算放大器_设计报告

CMOS两级运算放大器设计及仿真

实验报告

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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。如下图所示。

电流源偏置电路由NM0、NM2与NM4组成，其中NM0接偏置电流源，电流源电流为30uA。如下图所示。

选取电源电压为1.8V。

共模输入电压设为500mV，差模输入电压设IN1、IN2为5uV交流小信号，方向相反。如下图所示。

3.参数估计

第一级放大电路的电压增益：

第二级放大电路的电压增益：

两级放大电路总增益：

增益带宽积：

设置直流工作点：

对单个nmos管进行gm/Id、Id/w与Vgs图形仿真，如下图所示。

取gm/Id为10，Vgs为0.3V，可得差动放大级单边电路偏置电流为15uA。根据镜像电流源的特性可设置Iref为30uA。设置第二级共源放大级直流偏置电流为34.3uA。

宽长比计算如下：

偏置电路：

NM0 4.5

NM2 4.5

NM4 5.15

差分放大电路：

PM0 1.875

PM2 1.875

NM1 15

NM3 15

共源放大级：

PM1 4.7

密勒补偿电路参数配置

Rc 10K

Cc 3pF

四、仿真调试

测试环境搭建。tran为扫频时间，设置输入信号频率为1KHz，因此tran值设置为10ms。扫频范围为1至100GHz。并保存直流工作点信息。如下图所示。

测试第一级差动放大级的放大倍数。如下图所示。

放大倍数大约为250倍，红色线条为第一级输出。相当于本征放大增益的平方。

测试两级放大电路的放大倍数。如下图所示。

四条波形线分别为差动输出级、IN1、IN2、OUT。

便于观察放大倍数，将放大倍数及带宽截图如下。

放大倍数约为11000倍，带宽为1KHz。因此增益带宽积大于10 MHz。相位与放大倍数的关系如下图所示。

在增益降为0dB的时候，相位降幅大约为110度，即相位裕度大约为70度。

五、实验结果

电路仿真参数：

(1)直流或低频时的小信号差模电压增益

Avd = 11000V/V(80dB)

(2)增益带宽积

GBW = 11MHz

(3)输入共模电压

Vcm = 0.5V

(4)输出电压

1.3V < Vout < 1.4V

(5)相位裕度

PM = 70度

(6)负载电容

CL = 1pF

(7)电源电压

VDD = 1.8V

(8)密勒补偿电容及电阻

Rc = 10K

Cc = 3pF

仿真参数满足设计要求。