CMOS 两级运放的设计1设计指标在电源电压0-5V ,采用0.5um 上华CMOS 工艺。

完成以下指标：共模输入电压固定在（2DD SS V V +）开环直流增益 60dB ≥ 单位增益带宽 30MHZ ≥相位裕度 60deg ree ≥转换速率 30Vus≥负载电容 3pF ≡静态功耗电流 1mA ≤ 共模抑制比 60dB ≥ PSRR 60dB ≥2电路分析2.1 电路图2.2电路原理分析两级运算放大器的电路结构如图1.1所示，偏置电路由理想电流源和M8组成。

M8将电流源提供的电流转换为电压，M8和M5组成电流镜，M5将电压信号转换为电流信号。

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，将差模电流恢复为差模电压。

；M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过M1，2的电流与流过M3,4的电流1,23,45/2d d d I I I ==。

输出级放大电路由M6、M7 组成。

M6 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。

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，构成密勒补偿。

3 性能指标分析3.1 直流分析由于第一级差分输入对管M1和M2相同，有 第一级差分放大器的电压增益为：1124m v ds ds g A g g -=+第二极共源放大器的电压增益为6267m v ds ds g A g g -=+所以二级放大器的总的电压增益为16261224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===++++3.2频率特性分析设1C 为第一级输出节点到地的总电容，有122446GD DB GD DB GS C CC C C C =++++设2C 表示第二级输出节点与地之间的总电容，有2677DB DB GD L C CC C C =+++一般，由于L C 远大于晶体管电容，所以2C 远大于1C , 可以解出电路的传输函数为()121621cm m ids as bs g g C R RV V-=++其中：()121212ca C C C C C R R ⎡⎤=++⎣⎦()121212126c m b gC C C R R R R R R=++++可以得到右半平面零点为62m zcg fCπ=从而电路的主极点1261dcm fg CR R =而次极点6m ndLg f C=由于2C 和C C 远大于1C ，而1C 中最主要的部分为6GS C , 2C 中则以L C 为主，经过适当近似，可以得到单位增益带宽为102m dcGBW gf A Cπ==3.3 共模抑制比分析如果运放有差分输入和单端输出，小信号输出电压可以描述为差分和共模输入电压的方程dm cm Oid ic VV V A A =+其中dm A 是差模增益，有0dm A A=，cm A 是共模增益。

共模抑制比的定义为dm cmCMRR AA=从应用角度考虑CMRR 可以理解为“每单位共模输入电压的变化引起的输入失调电压的变化”。

对于两级运放电路的共模抑制比，有5331533dm idcmidCMRR CMRR V V A V VV V AV V===其中，1CMRR 是第一级的共模抑制比，因为第二级是单端输入、单端输出，所以不贡献共模抑制比。

由源极负反馈增益可知，等效输入跨导m G 为:()115151212o m m o o o m g rG g r r r =++如果1512o o m grr ，那么m G 可以化简为：512m o G r =输出阻抗为:()35151331121out o o o o m m m g R rr r r g g⎡⎤=++≈⎣⎦ 所以共模增益为：5512cm out m o m G A R g r==得到：()524512dm o o o m m cmCMRR A gg r r r A==3.4转换速率（slew rate ）Slew Rate 也就是压摆率，是指大信号情况下运放的输入端接入较大的阶跃信号，输出信号波形也会发生大的变化，会发生截至或者饱和的现象。

输出电压变 化对时间的比值叫做压摆率，单位是Vus。

对于两级运放，当输入为大的正输入阶跃，2M 截止，5M 的电流流经1M 和3M ，电流镜使得4M 也流经同样的电流。

因为2M 截止，这个电流从C C 流过。

恒定电流5ds I流过C C 在其两端产生一个电压梯度，斜率为5ds CVtI C∆=∆。

如果7M 提供足够的电流给6M ，那么6GS V 保持恒定，4M的漏端电压不变，结果导致6M 的漏端 电压呈梯度上升。

对于大的负输入阶跃，1M、3M 和4M 截止，2M 导通，5M 的电流全部流经2M 并流过C C 。

由于7M 有足够的电流流过6M ，6GS V 保持恒定，即4M 的漏端电压不变，导致6M 的漏端电压有负向同样斜率的梯度。

压摆率SR 为5int DS CSR IC=对于负载电容L C 也要充放电。

对L C 放电不存在问题，因为当6M 过度驱动（6GS V 很大）时可以流经很大的电流。

但是当对L C 充电时，只能在有限的时间内实现，因为L C 是通过7M 进行充电的。

由于7M 有一部分电流5DS I 要留过C C ，所以只有75DS DS I I -的电流经过L C 。

这样一来，对于正的输入阶跃，4M的漏端电压会下降，也会减少流经6M 的电流。

电流75DS DS I I - 对L C 充电，导致一个正的电压梯度，斜率为75DS DS extLSR II C-=所以总的SR 是这两个中的最小值int min{,}ext SR SR SR =,得到575min{,}DS DS DS CLSR I I I C C-=为了测量转换速率，将运算放大器输出端与反相输入端相连，如下图所示，输出端接3pF 电容。

因为单位增益结构的反馈最大，从而导致最大的环路增益，所以能用做最坏情况测量，因此采用这种结构来测量转换速率。

V摆率的测量方法3.5 电源抑制比分析假设正电源和负电源的小信号变化分别为dd V 和ss V ，出于简化考虑0ic V =，那么输出小信号电压为O dm id dd ss V V V V A A A +-=++其中A+和A-分别是正电源和负电源到输出的小信号增益。

将上式改写为dd ssO dm dm id ddss id dmdm V PSRR PSRR V V A A V V V V A A AA+-+-⎛⎫⎛⎫=++=++ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭其中dm PSRR AA++=且 dm PSRR A A--=正电源抑制比PSRR +为差模增益除以正电源增益，负电源抑制比PSRR -为差模增益除以负电源增益。

电源抑制比应越高越好，以减小电源对输出的影响。

实际中，电源抑制比会随着频率的增加而下降。

因为在实际使用中的电源也含有纹波，在运算放大器的输出中引入很大的噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器的输出端的。

把从运放输入到输出的差模增益除以差模输入为0时电源纹波到输出的增益定义为运算放大器的电源抑制比，式中的vdd=0，vin=0指电压源和输入电压的交流小信号为0，而不是指它们的直流电平。

需要注意的是，电路仿真时，认为MOS 管都是完全一致的，没有考虑制造时MOS 管的失配情况，因此仿真得到的PSRR 都要比实际测量时好，因此在设计时要留有余量。

0===vin DDvdd V A A PSRRVdd电源抑制比的原理图4电路分析设计过程4.1确定米勒电容的大小相位裕量有：111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GBp p z ---Φ=±---=要求60°的相位裕量，假设RHP 零点高于10GB 以上11102tan ()tan ()tan (0.1)120v GBA p ---++=而：102tan ()24.3GBp -=所以2 2.2p GB≥即 622.2()m m Lc g g C C >由于要求60的相位裕量，所以626210()10m m m m c cg g g g C C >⇒>可得到2.20.22 2.210Lc L C C C PF >== 在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++本设计中负载是3PF ，考虑寄生电容存在，选取c C 的初值为1PF 。

4.2分配电流，确定各管的宽长比考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+ （4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++为了使静态功耗尽量的小，在电流偏置级加入的理想电流源为5uA 。

在(.SCS)工艺库文件中查找计算需要的参数:其中有：'ox C K μ=3.9ox o oxoxoxC ttεε== μ：是电子或空穴的迁移率oxC：单位面积栅氧化物电容 ox t ：栅氧厚度1408.85410Fcmε-=⨯自由空间介电常数oxε：二氧化硅介电常数根据以上的参数，手工计算所需要的参数：4' 1.3153.910o n n noxn oxnC Ktμμε-===⨯4'0.7143.910o p p poxp oxpC Ktμμε-===⨯（1）取8M 管的过驱动电压为0.1，根据饱和电流公式'212W I LK =∆得8'28251DS n I W L K ⎛⎫== ⎪⎝⎭∆（2）为了使其满足压摆率的要求，取5DS I 尽量大一些，我们最终取580DS uA I =,5M 和8M 构成电流镜，则5801W L ⎛⎫= ⎪⎝⎭。

（3）此时3,4M 和1,2M 的电流都为1,2,3,440DS uA I =。