两级CMOS运算放大器的电路设计

1. 引言

1.1 研究背景

1.1.1 CMOS技术的发展

• CMOS技术自20世纪70年代以来，逐渐取代了BJT技术，成为集成电路领域的主流技术。
• CMOS技术以其尺寸小、低噪声、低功耗、低成本、高速度、高精度、高性能和集成度高等优点，在各种电子设备中得到了广泛应用。

1.1.2 运算放大器的重要性

• 运算放大器是模拟集成电路及混合信号系统中用途最广、最重要的基本单元。
• 运算放大器被广泛应用于信号放大、信号处理、信号运算等领域，如手机、新能源汽车、电脑、音响等。

1.2 研究意义

1.2.1 设计运算放大器的复杂性

• 设计运算放大器是一个复杂的过程，需要根据应用领域的不同需求在性能上进行折中。
• 每一种应用都是一个不同性能指标的组合体，因此对运算放大器的设计提出了更高的要求。

1.2.2 深入理解运算放大器的设计方法

• 本论文通过对经典的两级CMOS运算放大电路进行前端设计及仿真，重点对CMOS运放的分析方法与设计方法进行研究。
• 理解电路原理、各性能指标的意义以及测试方法，从中体会模拟集成电路设计的八边形法则，为以后学习模拟集成电路设计打下基础。

1.3 论文结构

1.3.1 章节概述

• 第1章：介绍了本设计的研究背景和意义，并概述了论文的整体结构。
• 第2章：对本次设计所需了解的基础知识进行介绍。
• 第3章：对本次设计所用到的电路结构进行原理分析。
• 第4章：对本次设计所需的性能指标进行分析。
• 第5章：根据电路的性能要求进行电路设计，通过手算确定器件参数的大概值。
• 第6章：根据所确定的器件参数值，用virtuoso软件对其进行模拟仿真和分析，如果没有达到设计预期就必须调整器件的参数值直到都达到设计预期为止。
• 第7章：最后对整个设计进行总结。

2. 模拟集成电路设计基础

2.1 MOS管的工作原理

2.1.1 MOS管的结构

• MOS管由源极、漏极、栅极和衬底组成。
• 通过改变栅极电压的大小来影响MOS管的导电能力，从而实现不同的导电特性。

2.1.2 MOS管的工作区域

• 截止区：当栅源电压小于阈值电压时，MOS管没有形成导电沟道，源漏电流为零。
• 线性区：当栅源电压大于阈值电压时，MOS管的栅氧化层下会形成反型层，同时源漏电流。
• 饱和区：当栅源电压大于阈值电压时，沟道出现预夹断，随着栅源电压的增大漏极电流不再增加，达到最大值。

2.2 MOS管的二级效应

2.2.1 沟道长度调制效应

• 沟道出现预夹断后，随着栅源电压的增大，预夹断点会向源极方向移动导致实际的沟道长度会有所减少，从而导致实际的源漏电流会有所增加。
• 这种效应被称为“沟道长度调制效应”。对于长沟道器件而言，变化的沟道长度远远小于原沟道长度，所以带来的影响可以忽略不计。

2.2.2 衬底偏置效应

• 在实际电路中，PMOS管的衬底接电路的最高电位，NMOS管的衬底接电路的最小电位，但是它们的源极可能不和衬底相连，所以PMOS的源极电压，NMOS的源极电压。
• 会增加耗尽层的厚度，从而增加了载流子脱离束缚形成反型层的难度，导致阈值电压增加。
• 这种效应被称为“衬底偏置效应”。考虑衬底偏置效应后，得到新的阈值电压表达式。

2.3 MOS管的等效电路

2.3.1 大信号模型

• 大信号模型用于描述电路系统的直流工作状态。MOS管的大信号模型核心是一个连接两端的电压控制电流源，还包括一些其他特性。
• 完整的大信号模型包括栅源电压、源漏电流、输出电阻、输入电容等。

2.3.2 小信号模型

• 小信号模型用于描述当电路系统的的直流工作点确定后，在某一端口处发生了交流小信号的变化会在相应的端口处得到线性的响应。
• MOS管的基本小信号模型主要考虑的变化引起的变化即跨导、的变化引起的变化即输出电阻、输入电容。

3. 电路结构及其基本原理

3.1 偏置电路

3.1.1 偏置电路的作用

• 偏置电路是为了给各级的MOS管建立合适的静态工作点的，有时还充当放大电路的电流源负载。
• 通过调整器件的尺寸比可以输出差分放大电路、反相器电路所需的偏置电流。

3.1.2 电流镜的电路结构

• 电流镜的电路结构原理为：如果两个相同尺寸的MOS管工作在饱和区且栅源电压相同，那么其流过的电流也相等。
• 通过调整M5、M7与M8的尺寸比可以输出差分放大电路、反相器电路所需的偏置电流。

3.2 差分放大电路

3.2.1 差分放大电路的作用

• 差分放大电路是对输入信号的差值进行放大同时抑制共模信号。
• 通过差分输入对管M1、M2，电流镜负载M3、M4及偏置电流管M5，将差分输入电压转换为差分电流，再将差分电流转换成电压输出。

3.2.2 差分放大的电路结构

• 差分放大电路由差分输入对管M1、M2，电流镜负载M3、M4及偏置电流管M5组成。
• 因为电路的对称性使得，能够为下一级的放大提供恒定的偏置电压。

3.3 反相器电路

3.3.1 反相器电路的作用

• 反相器电路采用的是共源放大结构，作为第二级放大能够提高增益及增大输出摆幅。
• 通过电流镜负载M7和共源放大管M6，将栅源电压的变化转换成小信号漏电流，小信号漏电流流过输出负载就会产生输出电压。

3.3.2 反相器的电路结构

• 反相器电路由电流镜负载M7和共源放大管M6组成。
• M7为其提供恒定的偏置电流同时作为输出负载。

3.4 米勒补偿电路

3.4.1 米勒补偿的作用

• 米勒补偿是一种通过在负反馈方式中跨越一个内部增益级(通常是第二级)连接的电容Cc来稳定运算放大器的技术。
• 加入补偿电容使得主极点往低频移动，次极点往高频移动，从而实现极点分离使得系统稳定。

3.4.2 米勒补偿的电路结构

• 米勒补偿电路通过在负反馈方式中跨越一个内部增益级连接的电容Cc来实现稳定。
• 加入补偿电容使得主极点往低频移动，次极点往高频移动，从而实现极点分离使得系统稳定。

4. 电路性能指标及其分析

4.1 性能指标要求

4.1.1 性能指标的定义

• 开环增益：运算放大器开环时的低频放大倍数。
• 增益带宽积：运算放大器能够正常工作的频率范围上限，在单极点系统中增益带宽积为运算放大器的开环增益时所对应的频率。
• 相位裕度：用于衡量反馈系统的稳定性，是运算放大器的开环增益时相位变化量与180°距离的值。
• 压摆率：表示运算放大器输出电压变化的快慢，即单位时间内输出电压变化的幅度。
• 输入共模电压范围：运算放大器能够正常工作的输入共模电压范围。
• 输出动态范围：运算放大器能够正常工作的输出动态范围。
• 共模抑制比：表示运算放大器对共模信号的抑制能力，即输入共模电压变化1单位时，输出电压变化的大小。
• 电源抑制比：表示运算放大器对电源噪声的抑制能力，即电源电压变化1单位时，输出电压变化的大小。

4.2 指标参数分析

4.2.1 开环增益Av

• 开环增益是运算放大器开环时的低频放大倍数。
• 分析电路的小信号模型可知：通过调整M2、M6的跨导、偏置电流以及过驱动电压可以改变。

4.2.2 增益带宽积GBW

• 增益带宽积是运算放大器能够正常工作的频率范围上限，在单极点系统中增益带宽积为运算放大器的开环增益时所对应的频率。
• 分析电路的频率特性可知该电路有两个极点、一个零点。通过调整M2的跨导可以改变。

4.2.3 相位裕度PM

• 相位裕度用于衡量反馈系统的稳定性，是运算放大器的开环增益时相位变化量与180°距离的值。
• 为了让系统获得好的稳定性且降低振铃的影响，相位裕度要求不能低于45°最好是60°。
• 分析电路的结构可得：通过调整可以改变相位裕度。

4.2.4 压摆率SR

• 压摆率表示运算放大器输出电压变化的快慢，即单位时间内输出电压变化的幅度。
• 压摆率与电路的频率响应和输出阻抗有关。

4.2.5 共模输入范围ICMR

• 共模输入范围是指运算放大器能够正常工作的输入共模电压范围。
• 共模输入范围与电路的输入级差分放大电路和偏置电路的设计有关。

4.2.6 动态输出范围OS

• 动态输出范围是指运算放大器能够正常工作的输出动态范围。
• 动态输出范围与电路的输出级反相器电路和米勒补偿电路的设计有关。

4.2.7 共模抑制比CMRR

• 共模抑制比表示运算放大器对共模信号的抑制能力，即输入共模电压变化1单位时，输出电压变化的大小。
• 共模抑制比与电路的差分放大电路的设计有关。

4.2.8 电源抑制比PSRR

• 电源抑制比表示运算放大器对电源噪声的抑制能力，即电源电压变化1单位时，输出电压变化的大小。
• 电源抑制比与电路的电源去耦和滤波电路的设计有关。

5. 电路参数设计

5.1 工艺相关参数值

• 在进行电路设计之前，需要了解和确定工艺相关参数值，如沟道长度、栅氧化层厚度、源漏掺杂浓度等。

5.2 确定沟道长度L

• 沟道长度是影响MOS管性能的一个重要参数，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3 差分输入级的电路设计

5.3.1 确定补偿电容Cc

• 补偿电容Cc是米勒补偿电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3.2 确定差分放大的偏置电流ID5

• 差分放大的偏置电流ID5是差分放大电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3.3 确定差分放大管M1、M2的跨导gm

• 差分放大管M1、M2的跨导gm是差分放大电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3.4 确定差分放大管M1、M2的宽长比W/L

• 差分放大管M1、M2的宽长比W/L是差分放大电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3.5 确定差分负载管M3、M4的宽长比W/L

• 差分负载管M3、M4的宽长比W/L是差分放大电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3.6 确定差分电流管M5的宽长比W/L

• 差分电流管M5的宽长比W/L是差分放大电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.3.7 确定偏置电路的电流管M8的宽长比W/L

• 偏置电路的电流管M8的宽长比W/L是偏置电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.4 差分输入级的直流工作点仿真

• 通过仿真验证差分输入级的直流工作点是否符合设计要求。

5.5 反相输出级的电路设计

5.5.1 确定反相器放大管M6的跨导gm

• 反相器放大管M6的跨导gm是反相器电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.5.2 确定反相器放大管M6的宽长比W/L

• 反相器放大管M6的宽长比W/L是反相器电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.5.3 确定反相器的偏置电流W/L

• 反相器的偏置电流W/L是反相器电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.5.4 确定反相器的电流管M7的宽长比W/L

• 反相器的电流管M7的宽长比W/L是反相器电路中的重要组成部分，需要根据电路的性能要求进行选择。

5.5.5 两级CMOS运算放大电路的器件参数汇总

• 对两级CMOS运算放大电路的器件参数进行汇总，为后续的仿真和