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1、华中科技大学IC课程设计两级全差动运算放大器的设计年级:学号:姓名:专业:指导老师:二零一一年十二月应用0.18umCM0S工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为 360MHz、负载为lpF的两级全差动运算放大器。可以满足一定的高速度、高精度 的指标。两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。通过运用 差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制 共模信号和噪声的能力等性能。因此，优于一些传统的两级运算放大器。关键词：全差动运算放大器；共源放大器；折叠式放大器AbstractA fully differential operational am
2、plifier with a DC-gain of 86dB and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process. It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefore, it is better than some of
3、the traditional operational amplifier.Keywords:fully differentialoperational amplifier; common-sourceamplifier; Folding amplifier目录摘 要1Abstract21. 引言42. 两级全差动运算放大器设计要求43. 电路分析与设计43.1. 第一级运算放大器设计53.1.1第一级差模电压增益63.1.2. 共模电压输入范围63.1.3. 第一级增益带宽积GBW73.1.4. 第一级MOS管宽长比73.1.5. 第一级仿真结果73.2. 第二级运算放大器设计83.2.1.
4、 第二级差模电压增益93.2.2偏置电压与偏值电流93.2.3. 增益带宽积与负载电容93.2.4. 第二级MOS管宽长比93.2.5第二级仿真结果103.3. 两级联仿103.3.1. 差分压摆率113.3.2. 静态功耗113.3.3等效输入参考噪声113.3.4. 相角裕度123.3.5. 两级联仿结果134. 结论13致 谢14参考文献14心得体会151. 引言随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全 差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输 出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。另外，差动输出时的输出电压信 号幅度比单端输出
5、时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要, 因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此，本文讨论并设计了满足一定要求的 差动输入差动输出（即全差动）运算放大器。2. 两级全差动运算放大器设计要求根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18um CMOS工艺，设 计一个两级运算放大器性能指标如下：电源电压：1.8V第一级增益：$20dB第一级GBW:500MHz两级增益：$80dB相位裕度：$60差分压摆率：$200V/us等效输入参考噪声：200nV/VHZ 1MHz负载电容：WlpF静态功耗：尽可能小3. 电路分析与设计首先，可以对典型的差动输入一一差动输出运算放大器进
6、行分析，通常运算 放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。 这些部分在电路工作的时候都起到了不同的功能。下面介绍一下全差动运算放大 器各功能模块的作用。典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成:out +o u -输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪 声能力和失调性能。高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆 幅。差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度 增加了一倍。偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些 偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和温度而变化。为了保
7、证运 放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大 级）。但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。因此，我们最终还是要的 运放的整体性能。3.1.第一级运算放大器设计首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下:昨1*innoutp .MppII401 -ftncm图1第一级放大电路3.1.1第一级差模电压增益由第一级放大电路，可以推算出:/ r )v 1mp dspdsn 1又因为,g =1 卩 c W V - v )22dsox LGSTHdsds因此,A =- 2 g 20 dBv1mp3.1.2.共模电压输入范围已知电源电压V =1.8V,并且只有当
8、栅源电压Vdd大于开启电压V gs，且V V -V时，场效应管才能工作于饱和区。dsgsTv=v +v=0.7Vmindsn 1thv=v vv= 1.1Vmaxdddsp2gsip所以共模电压输入范围为v v 20 dBV1GBW 500 MHz因此，满足第一级的设计要求。30 :f:iiii11|i、Tij一11r1r-i1 r1r_25 :- 30:二一一Ia宀JL.一15一一一-一一一一一I-11L11一一一一一一 - 一一一 r11i_1L_11L_L_rH 10 :15 0 ju-m-i-ent A-1. yoet uuy 懈蜩Ciirrent Y=2. 25e-002D eri
9、vati ve=-4. 72 e009-5 _1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 !110100lk10k100klxlOxlOOxlgFrequency (log) (HERTZ)111 50 d B。v 23.2.2 偏置电压与偏值电流由第二级放大的电路图，因为Vdd=1.8V,输入管与共源共栅管并联，我们 假设每个管子平均分压为0.6V,那么可以简单地估算出管子Mpl、Mp3、Mn1它 们的偏置电压分别为V 0.8V , V 0.5V , V 1.3V。b 2b 3b 4假设Mnl管提供的偏置电流为Iss，它为输入管与共源共栅管提供电流，提 供给Mpl管的电流为II,提供给Mp3的电流为I2,那么，i = Is/ + I。因此，1 F 22折叠结构的运算放大器一般消耗更大的功耗。我们在本设计中取偏置电流为 10uA。3.2.3 增益带宽积与负载电容由于第一级的增益带宽积为500MHz,第二级的增益带宽积可以稍小于第一g级的增益带宽积。由公式GBW = 世，其中C为负载电容。2兀Ccc所以gC 4 X 10 -14 =40 fFc 2兀Cc3.2.4.第二级MOS管宽长比通过运用Hspice仿真
