logo资料库

复旦大学模拟电路二级运放实例.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.67M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共89页
第2页 / 共89页
第3页 / 共89页
第4页 / 共89页
第5页 / 共89页
第6页 / 共89页
第7页 / 共89页
第8页 / 共89页
资料共89页，剩余部分请下载后查看
    电路结构图
    参数表
    1引言
    2电路分析
    2.1电路结构
    2.2电路描述
    2.3静态特性
    2.4频率特性
    2.5相位补偿
    2.6调零电阻
    2.7偏置电路
    3设计指标
    3.1共模输入范围
    3.2输出动态范围
    3.3单位增益带宽
    3.4输入失调电压
    3.5静态功耗
    3.6共模抑制比
    3.7电源抑制比
    3.8转换速度
    3.9噪声
    4电路设计
    4.3约束分析
    4.1mos工作区
    4.4相位补偿
    4.5计算参数
    器件参数
    5HSPICE分析
    Cadence 仿真
    修改电阻
    单管匹配
    新参数
    AC
    无标题
    二级密勒补偿运算放大器 设计教程 udan 专用集成电路与系统国家重点实验室 RFIC 整理者 版本号 日期 说明 尹睿 1.0 2007.10.10 详细介绍二级运放原理和设计仿真，供新手 入门参考 版权所有，不得侵犯！传播与修改请保留版权信息。
    目录 1 引言 ..................................................................................................................... 1 2 电路分析.............................................................................................................. 2 2.1 电路结构....................................................................................................... 2 2.2 电路描述....................................................................................................... 2 2.3 静态特性....................................................................................................... 3 2.4 频率特性....................................................................................................... 5 2.5 相位补偿....................................................................................................... 7 2.6 调零电阻....................................................................................................... 7 2.7 偏置电路..................................................................................................... 10 3 设计指标............................................................................................................ 13 3.1 共模输入范围.............................................................................................. 13 3.2 输出动态范围.............................................................................................. 13 3.3 单位增益带宽（GBW） .............................................................................. 14 3.4 输入失调电压.............................................................................................. 14 3.4.1 系统失调电压 .......................................................................................... 14 3.4.2 随机失调电压 .......................................................................................... 15 3.4.3 工艺失配参数 .......................................................................................... 16 3.5 静态功耗..................................................................................................... 16 3.6 共模抑制比（CMRR） ............................................................................... 16 3.6.1 定义 ........................................................................................................ 16 3.6.2 两级运放的 CMRR .................................................................................. 17 3.7 电源抑制比（PSRR） ................................................................................ 18 3.7.1 定义 ........................................................................................................ 18 3.7.2 两级运放的 PSRR................................................................................... 19 3.8 转换速率（Slew Rate） ............................................................................. 21 3.8.1 定义 ........................................................................................................ 21 3.8.2 两级放大器的 Slew Rate......................................................................... 22 3.8.3 单位增益带宽 GBW 和压摆率 SR............................................................ 23 3.9 噪声............................................................................................................ 24 3.9.1 低频噪声 ................................................................................................. 24
    3.9.2 输入积分噪声 .......................................................................................... 25 4 电路设计............................................................................................................ 26 4.1 MOS 工作区域............................................................................................ 26 4.2 过驱动电压的影响....................................................................................... 27 4.3 约束分析..................................................................................................... 27 4.3.1 对称和失调.............................................................................................. 27 4.3.2 静态功耗 ................................................................................................. 27 4.3.3 面积 ........................................................................................................ 27 4.3.4 直流增益 ................................................................................................. 28 4.3.5 共模抑制比.............................................................................................. 28 4.3.6 电源抑制比.............................................................................................. 28 4.3.7 转换速率 ................................................................................................. 28 4.3.8 等效输入噪声 .......................................................................................... 28 4.4 相位补偿..................................................................................................... 29 4.5 计算参数..................................................................................................... 29 4.5.1 工作点分析.............................................................................................. 29 4.5.2 设计步骤 ................................................................................................. 30 5 HSPICE 仿真..................................................................................................... 32 5.1 电路网表..................................................................................................... 32 5.2 仿真网表..................................................................................................... 35 5.3 静态功耗和直流工作点 ............................................................................... 36 5.4 直流增益、带宽和相位裕度 ........................................................................ 36 5.5 共模抑制比 ................................................................................................. 38 5.6 电源抑制比 ................................................................................................. 39 5.7 噪声............................................................................................................ 40 5.8 压摆率 ........................................................................................................ 41 5.9 输出动态范围.............................................................................................. 42 6 Cadence 仿真.................................................................................................... 44 6.1 运行软件..................................................................................................... 44 6.2 原理图绘制方法 .......................................................................................... 47 6.3 单管的匹配 ................................................................................................. 58 6.4 电路符号绘制方法....................................................................................... 62 6.5 基本指标仿真.............................................................................................. 64 ii
    6.6 其它指标仿真.............................................................................................. 68 6.7 仿真结果..................................................................................................... 71 参考文献 ................................................................................................................... 73 附录 A 传递函数与零极点分析.................................................................................. 74 A.1 第二级传递函数 .......................................................................................... 74 A.2 第一级传递函数 .......................................................................................... 78 A.3 零极点讨论 ................................................................................................. 79 附录 B Cadence 常用快捷...................................................................................... 81 iii
    1 引言 相对与数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行 为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。但这并不适用于模拟电路设计。一般 来说，模拟电路设计仍然需要手工进行。因此，仔细研究模拟电路的设计过程，熟悉那 些提高设计效率、增加设计成功机会的原则是非常必要的[1]。 为此，本手册以应用最为广泛的 CMOS 两级密勒补偿运算跨导放大器为例，详细 介绍设计电路的详细流程。 运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。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。伴随 者每一代 CMOS 工艺，由于电源电压和晶体管沟道长度的减小，为运放的设计不断提 出复杂的课题[2]。 运算放大器的设计可以分为两个较为独立的两个步骤。第一步是选择或搭建运放的 基本结构，绘出电路结构草图。一般来说，决定好了电路结构以后，便不会更改了，除 非有些性能要求必须通过改变电路结构来实现。 一旦结构确定，接着就要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电路等 等，这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。为了满足运放的交流和直流要求，所有 管子都应被设计出合适的尺寸。然后在手工计算的基础上，运用计算机模拟电路可以极 大的方便对电路进行调试和修改。但要记住，手算是绝对必需的！通过手算，可以深入 的理解电路，对于设计多边形法则也可以更好进行权衡和把握。 本手册从分析电路的原理开始（第二章），接着介绍对运放的各个指标做介绍和分 析（第三章），然后以具体的指标要求为例，分析约束条件，进行手算（第四章）。之后， 将会分别介绍采用 HSPICE（第五章）和 Spectre（第六章）对电路进行仿真和调试。 至于版图设计和后仿，将会在以后的版本中逐步添加完善。 1
    2 电路分析 2.1 电路结构 最基本的 COMS 二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 2.1 所示。主要包括四 部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。 图 2.1 两级运放电路图 2.2 电路描述 输入级放大电路由 M1～M5 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 M14 和 Cc 构成。M14 工作在线性区，可等 效为一个电阻，与电容 Cc 一起跨接在第二级输入输出之间，构成 RC 密勒补偿。 此外从电流与电压转换角度对电路进行分析也许更便于理解，此时可以将绘出运放 的层次结构如图 2.2 所示。M1 和 M2 为第一级差分输入跨导级，将差分输入电压转换 为差分电流。M3 和 M4 为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。M6 为第二级跨导 级，将差分电压信号转换为电流，而 M7 再将此电流信号转换为电压输出。 2
    跨导级 负载级 跨导级 负载级 M5 M1 M2 VDD Vbias vin GND M7 vout M6 M3 M4 V I I V V I I V 图 2.1 二级运放层次结构示意图 偏置电路由 M8～M13 和 RB 组成，这是一个共源共栅 Widlar 电流源。M8 和 M9 宽长比相同。M12 与 M13 相比，源极加入了电阻 RB，组成微电流源，产生电流 IB。对 称的 M11 和 M12 构成共源共栅结构，减小沟道长度调制效应造成的电流误差。在提供 偏置电流的同时，还为 M14 栅极提供偏置电压。 2.3 静态特性 暂时不考虑调电阻 M14，绘出电路的等效模型，如图 2.3 所示。 CC Vid Gm1Vid R1 C1 Vi2 Gm2Vi2 R2 C2 Vo 图中每一级都是互导放大器，由于第一级差分输入对管 M1 与 M2 相同，有 图 2.2 等效电路模型 G m 1 = g m 1 = g m 2 R1 表示第一级输出电阻，其值为 则第一级的电压增益 R r = o 1 2 r o 4 m ( r o 2 m 2 r o 4 ) A G R g 1 1 1 = = 3 (2.1) (2.2) (2.3)
    对第二级，有 第二级的电压增益 A 2 故总的直流开环电压增益为 G m 2 = g m 6 = 2 DS I V GST 6 6 R 2 = r o 6 r o 7 = − G R 2 m 2 = − g ( r o 6 m 6 r o 7 ) A A A ＝ 0 1 2 = − g g 2 m m 6 ( r o 2 r o 4 )( r o 6 r o 7 ) 将 VGS－VT 简写作 VGST，有 而电阻 ro 由下式决定 g m C μ= OX W L ( V GS − V T ) = 2 D I V GST r o = 1 I λ DS = V L E I DS (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) 其中 λ 是沟道长度调制系数，VE 为厄利电压，L 为管子的有效沟道长度。它们之间有如 下关系 EV L = 1 λ (2.10) 在 LevelOne 模型给出的参数中，λn＝0.03 V-1，λp＝0.06 V-1。而在 Spectre 仿真中则 考虑沟道长度的影响，只给出了厄利电压值。采用 SMIC 0.18μm 工艺，在 1.8V 电压下， 厄利电压分别为 VEn＝55 V/μm，VEp＝47 V/μm。 于是，针对于 SPICE LevelOne 模型仿真，式(2.7)可以重新表示为 A 0 = − DS 2 I V GST 2 2 ⎛ ⎜ ⎜ ⎝ DS 2 I V GST 6 6 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⎛ ⎜ ⎜ ⎝ 1 I λ n DS 6 4 || 1 I λ p DS 7 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (2.11) 2 || 1 I λ n DS 1 I λ p DS 4 ( λ λ n 2 ) + = − V GST V 2 GST 6 p 上式中仅包含工艺参数 λ 和设计参数 VGST，由于 λ 是工艺给定，所以电路的直流增益仅 取决于过驱动电压。 若是采用 Spectre 仿真，则直流增益可以用厄利电压来表示，此时式(2.7)可以写成 4
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料