两级CMOS运算放大器的电路设计

1. 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 运算放大器的发展

• 运算放大器（Operation amplifier）简称运放，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。
• 经过数十年的发展，如今大多数的运放是集成运放，且种类繁多。

1.1.2 CMOS技术的发展

• 近年来，随着集成电路的发展，CMOS技术凭借尺寸小、低噪声、低功耗、低成本、高速度、高精度、高性能、集成度高等优势已经成功取代了BJT技术成为了实现混合信号电路的主流技术。
• 现在CMOS运算放大器已经成为了最常用的运算放大器之一。

1.2 研究意义

• 设计运算放大器是一个相当复杂的事情，根据应用领域的不同需求需要在性能上进行折中，每一种应用都是一个不同性能指标的组合体。
• 本论文根据具体的电路性能指标对经典的两级COMS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的研究，从而理解其电路原理、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

• 第1章：介绍了本设计的研究背景和意义，还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进行设计，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

• 通过改变的大小来影响MOS管的导电能力，从而实现不同的导电特性。
• 根据MOS管的各端口电压组合不同，可分为三个工作区域：截止区、线性区、饱和区。

2.1.1 截止区

• 当时，MOS管没有形成导电沟道，源漏电流为零。

2.1.2 线性区

• 当时，MOS管的栅氧化层下会形成反型层，同时源漏电流。线性区的源漏电流表达式为：

2.1.3 饱和区

• 当时，沟道出现预夹断，随着的增大漏极电流不再增加，达到最大值。饱和区的源漏电流表达式为：

2.2 MOS管的二级效应

• (1)沟道长度调制效应
• (2)衬底偏置效应

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。

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。

3. 电路结构及其基本原理

3.1 偏置电路

• 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。

3.1.1 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。

3.2 差分放大电路

• 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。

3.2.1 差分放大的电路结构

• 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。

3.3 反相器电路

• 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。

3.3.1 电流源负载反相器的电路结构

• 由电流镜负载M7和共源放大管M6组成。

3.4 米勒补偿电路

• 米勒补偿(Miller Compensation)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。

3.4.1 米勒补偿的电路结构

• 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

• 一个运放的性能优劣是由多方面的指标决定的，如增益、相位裕度、带宽、转换速率等。

4.1.1 偏置电流

• 2

4.1.2 负载电容

• 2

4.1.3 开环增益

• 3

4.1.4 相位裕度

• 45°

4.1.5 增益带宽积

• 3

4.1.6 压摆率

• 1

4.1.7 输入共模电压范围

• 2

4.1.8 输出动态范围

• 2

4.1.9 共模抑制比

• 100

4.1.10 电源抑制比

• 80

4.2 指标参数分析

4.2.1 开环增益Av

• 分析电路的小信号模型可知：
• 第一级差分放大电路的跨导，输出电阻。故开环增益为：
• 第二级反相器电路的跨导，输出电阻。故开环增益为：

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。

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。

4.2.4 压摆率SR

• 压摆率是衡量运算放大器响应速度的指标，单位是V/μs。

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。

4.2.6 动态输出范围OS

• 动态输出范围是指运算放大器的输出电压范围。

4.2.7 共模抑制比CMRR

• 共模抑制比是指运算放大器放大差模信号的能力与放大共模信号的能力的比值。

4.2.8 电源抑制比PSRR

• 电源抑制比是指运算放大器抑制电源噪声的能力。

5. 电路参数设计

5.1 工艺相关参数值

• 0.18umCMOS工艺

5.2 确定沟道长度L

• 沟道长度L的确定需要根据具体的工艺和应用需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

5.4 差分输入级的直流工作点仿真

• 差分输入级的直流工作点仿真需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

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的确定需要根据具体的电路设计需求进行选择。

5.5.5 两级CMOS运算放大电路的器件参数汇总

• 两级CMOS运算放大电路的器件参数汇总需要根据具体的电路设计需求进行选择。

6. 电路性能仿真

6.1 仿真前概述

• 仿真前需要对电路的性能指标进行详细分析，并确定仿真参数。

6.2 直流工作点&频率响应&共模输入范围仿真

6.2.1 直流工作点仿真

• 直流工作点仿真是验证电路静态工作点是否正确的重要手段。

6.2.2 频率响应仿真

• 频率响应仿真可以验证电路的带宽和增益是否符合设计要求。

6.2.3 共模输入范围仿真

• 共模输入范围仿真可以验证电路的共模抑制比是否符合设计要求。

6.3 动态输出范围仿真

• 动态输出范围仿真可以验证电路的输出摆幅是否符合设计要求。

6.4 压摆率

• 压摆率仿真可以验证电路的响应速度是否符合设计要求。

6.5 共模抑制比

• 共模抑制比仿真可以验证电路的共模抑制比是否符合设计要求。

6.6 电源抑制比

• 电源抑制比仿真可以验证电路的电源抑制比是否符合设计要求。

7. 总结

• 本设计采用台积电的0.18umCMOS工艺，使用Cadence的Virtuoso软件根据具体的电路性能指标对经典的两级COMS运算放大电路进行设计与仿真。