密勒补偿二级运放实例.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.46M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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电路结构图

参数表

测试电路图

性能指标

mos尺寸表

HSPICE_PSRR

PSRR

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

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