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1、CMOS模拟集成电路设计-项目设计CMOS模拟二级运算放大器设计一. 项目需求分析与方案论证运算放大器，简称运放，是模拟电路中最为通用和基础的模块。运放一般由几部分构成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。单级放大器中由输出管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级放大电路增益被抑制在放大管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的，为了缓解这种矛盾引进了两级运放，两级运放可以同时实现高增益和较大的输出摆幅。在两级运放中将这两点各在不同级实现。本项目运用的是二级运放来实现，其中大的增益靠第一级与第二级的级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级共源放大器来实现。表1 设
2、计目标和性能参数要求参数种类参数值管子长度 0.35um管子宽度 0.8um负载电容= 3pF共模输入电压（VDD +VSS）/ 2开环直流增益 60 dB输出动态范围 0.1(VDD - VSS)，0.9(VDD - VSS)共模抑制比45dB单位增益带宽60dB相位裕度45 degree转换速率50 V/vs静态功耗10 mW面积10000um2本项目选用的是LEVEL 1 SPICE参数模型本项目所使用二级放大器电路图如下：图1 二级放大器电路图 其中输入级放大电路由 M1M5 组成，M1 和M2 组成PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流
3、镜为有源负载；M5 为第一级提供恒定偏置电流。输出级放大电路由M6、M7 组成，M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载，相位补偿电路由Cc 构成，电容Cc接在第二级输入输出之间，构成密勒补偿。二. 项目详细设计1、 静态分析分别分析M1-M8 管：1） 对M1、M2 管有：时，M1 管也必须工作在饱和区（对一个MOS 管， 它处于饱和工作区的电压条件是： 从而可以推出以下不等式条件 2） 对M3、M4 管，因为M3 的G、D 端互连，保证了M3 管永远工作在饱和区中。 而M4 管和M3 管完全对称，而且电流相等，从而也就保证了M4 管工作在饱和 区中。3） 对M5
4、 管：分析可知，若太大，则减小，则M5 管将落入线性工作区。 因此必须保证时，M5 管仍工作在饱和区。分析得： 其中不等式的右边必须大于等于零，即4） 对于M6 管：时，必须保证M6 管工作在饱和区。从而得到以下不 等式： 5） 对于M7 管： 时，M7 管必须处于饱和区。则可得：6）对M8 管，因为V sg8 = V sd8，所以M8 管将无条件满足饱和工作条件。2、 输出摆幅 0.1(VDD - VSS)，0.9(VDD - VSS)3、 功耗整个二级运放的静态功耗可以表示为： 一般情况下，可以利用PS PS,max的要求对运放进行性能优化，从而获得最小的静态功耗。4、 面积5、 直流开环
5、增益其小信号模型图如图2图2 小信号模型图图中， ，6、 共模抑制比共模抑制比KCMRR 根据CMRR的定义可以得到：7、 频率响应（单位增益带宽）及稳定性（相位裕度）二级运放交流等效电路如图5 所示,根据节点电流得，其中：可以推出从而可以得到两个主要极点和一个零点： 低频极点，即主极点： 高频极点： 零点：由以上分析我们可以看到， C C 为极点分割电容，要使放大器稳定工作，最好使 加了补偿电容C C 之后，使p1 , p2 拉开，但同时也产生了零点，而且零点再S 平面的右半平面上，因而此零点产生的相移是滞后的，它与极点p1 , p2 所产生的滞后相移叠加，产生了较大的附加相移。但是，若zG
6、B，则z 可以忽略，不影响电路的稳定性。若zGB，则产生的这个零点将会使运放工作不稳定。由于MOS 管的g m 较低，且CC 产生的z 不能忽略，当工作频率升高的时候，有可能使得运放的附加相移在未到达180 时，已经使负反馈变成了正反馈。在低频时，电容C C 与放大器构成了积分电路，但是在高频时， C C 可以看成短路，则第二级的放大管可以看成D、G 相接的二极管，则.成为了第一级的负载。此时，而且相位与低频时相反。8、 二级效应的分析及处理（亚阈值、体效应）在放大器正常工作情况下，必须保证每个管子在工作时远离亚阈值区，同时也可以提高晶体管的匹配度，从而对每一个管子有如下条件限制：在进行电路设
7、计的时候，通常可以假设V overdrive,min 为某个值。（典型值为200mV ）9、 整体参数求解与优化。1 确定补偿电容值 为极点分割电容，要使放大器稳定工作，最好使,又由 于极点限制：要求远远小于,则。 从而,推出，可得。 要使得,则,取，由,可 得,从而 取。2 确定直流基准电流 由静态功耗：， 因为 ， 所以 。由转换速率：即， 可得； 由，得。 综上：取,， 则,。3 1-8管分析： ；，； 对:， ，取。 对:， ， ，满足条件。 对:同理由，可得 所以，而 ，满足条件。 对:由， ，。 对、:由， ，。 对、:由，。 以上结果满足。整理以上计算结果得下表管子尺寸范围使用尺
8、寸M1M2M3M4M5M6M7M84 开环增益 其小信号模型图如图2图中， ， ， ， ， 。 所以： ； 即，满足要求。5 关于共模抑制比 ， ， ， 。 所以： 即，满足要求。6 频率特性和相位补偿 ， 其中： 可以推出从而可以得到两个主要极点和一个零点： 低频极点，即主极点： 高频极点： 零点：而而单位增益带宽 所以 满足要求7 转换速率 满足要求8 面积 =75710、 Hspice网表的编写、各指标的测试与结果分析 1 差模输出波形2 共模输出波形3 单位增益带宽和相位裕度 根据以上三个表得：差模开环增益同理由图2算出共模开环增益为0.67dB共模抑制比相位裕度转换速率 计指标与仿真
9、对照表参数种类参数值仿真值管子长度0.35um1um管子宽度0.8um 0.8um负载电容= 3pF3pF共模输入电压（VDD +VSS）/ 22.5V开环直流增益60 dB75.8dB输出动态范围 0.1(VDD - VSS)，0.9(VDD - VSS)0.5V,4.7V共模抑制比45dB80dB单位增益带宽60MHZ64.2MHZ相位裕度45degree56degree转换速率50V/vs68.3V/vs静态功耗10mW2.445mW面积10000um2757um2三. 项目总结1、 设计的心得体会在做项目的过程中，本学期所学知识得到了很好的运用，并且了解在学习过程中的很多不足，此次项目
10、让我们的自学能力得到了提升。在今后的学习中我们要更加努力学习工作设计的方法，努力把学习到的知识充分的运用到工程实践中去。2、 每个人对项目设计的贡献开环直流增益 输出动态范围 共模抑制比 单位增益带宽与相位裕度 转换速率 静态功耗 面积 项目报告、PPT 3、 对课程的意见或建议该项目使我们对于这一学期的专业学习进行了系统化的总结，在完成项目的过程中，我们对所学知识加深了了解、同时也提高了我们的团队协作能力,在小组中，我们通过合理分配工作和适时的进度调整，顺利的完成了项目。五 参考资料： 模拟CMOS集成电路设计， 拉扎维 著 西安交通大学出版社 2006.8 CMOS模拟集成电路第二版， P
11、艾伦 著 电子工业出版社 2006.5 CMOS电路模拟与设计-基于Hspice,钟耀文 编著 科学出版社 2009.1附件一：4、 电路图附件二：1、 HSPICE前仿真网表 .biasing circuitm8 6 6 2 2 MP l=1u w=5u iref 6 0 dc 0.02mA*first stagem5 9 6 2 2 MP l=1u w=25u m1 7 8 9 2 MP l=1u w=65um2 4 10 9 2 MP l=1u w=65um3 7 7 0 0 MN l=1u w=16um4 4 7 0 0 MN l=1u w=16u *second stagem7 3
12、6 2 2 MP l=1u w=75um6 3 4 0 0 MN l=1u w=100u.MODEL MN NMOS (LEVEL=1 +VTO =0.7 GAMMA =0.45 PHI =0.9 +PSUB =9E14 LD =8E-8 UO =350 LAMBDA =0.1 +TOX =9E-9 PB =0.9 CJ =0.56E-3 CJSW =0.35E-11+MJ =0.45 MJSW =0.2 CGDO =4E-10 JS =1E-8) .MODEL MP PMOS (LEVEL=1 +VTO =-0.8 GAMMA =0.4 PHI =0.8 +NSUB =5E14 LD =9E-8 UO =100 LAMBDA=0.2 +TOX =9E-9 PB=0.9 CJ =0.94E-3 CJSW =0.32E-11+M
