华中科技大学-IC课程设计实验报告(比例放大器设计)华中科技大学题目：比例放大器设计院系：专业班：姓名：学号：指导教师：20XX年XX 月I摘要在模拟电路中对放大器进行设计时，差分放大器由于能够实现两倍放大和能够很好的抑制共模噪声的优良性能而被广为应用。

本文利用放大器的“虚短”“虚断”的特性对比例放大器的结构及放大器的构成和基本参数进行了设计，其中放大器采用差分放大结构。

关键词：比例放大器差分放大器一级结构二级结构IAbstractWhen designing an amplifier, differential amplifiers,with its twice higher gain and its restrain to Common-mode disturbance,is more widely used than other kinds of amplifiers.In this report,we make use of the properties of “virtual short cicuit”a nd “virtual disconnection” and design the structure and parameters of the whole circuit as well as the structure of the amplifier.Key Words：Proportion amplifier Differential amplifiers Level 1 Level 2II目录摘要 (I)ABSTRACT (ⅠII)1 题目要求 (1)2 设计过程 (2)2.1 基本结构及分析 (2)2.1.1 外围电路分析 (2)2.1.2 运算放大器选择 (3)2.2 工艺参数提取 (3)2.3 理论推导与计算……………………………………………………III (5)2.4 仿真 (6)2.5 二级密勒补偿运算放大器 (10)2.6 仿真结果 (13)2.7 综合仿真 (17)3 结果分析与结论 (22)4 心得体会 (23)致谢 (25)参考文献 (26)附录 (27)IV11 题目要求设计一个比例放大器，参考电路如下：要求：（1） 自行设计放大器的结构与MOS 尺寸参数、电阻R1、R2的阻值，以达到相关性能指标；（基于0.35um COMS 工艺，MOS 管长度均设定为Lmin=1um ）（2） 用HSPICE 软件仿真电路。

（3）电路性能指标满足如下要求：①0.3cos()0.7in V t ω=+ :1:10in out V V =；②相位裕度 [45度~65度]； ③输入信号频率 100in f MHz≥；④输出电流10outImA =22 设计过程2.1 基本结构及分析 2.1.1.外围电路分析指标要求中隐含了增益要大于10倍，带宽大于100MHZ ，暂时不考虑相位裕度。

如图结构来说，根据放大器的“虚短”、“虚断”特性，可以列出如下等式：12R VinVout R Vin -= 根据题目要求：Vin:Vout=1:10 因此，有：R1=9R2 又：Iout=Vin/R2=10mA,Vin=1+0.1cos(wt) 得：Ω=1002R Ω=9001R另外，信号中包含1V 直流电压，相当于为放大器提供了直流偏置且 Vo=10Vin=1v ，取工作电压为单电源3v外围电路设计至此结束，现在进行放大器内部设计。

32.1.2运算放大器选型由于输入信号的特点，其中同时包含了直流与交流电压，考虑到信号噪声以及直流电压波动，使用差分放大电路能对共模输入起到很好的抑制作用，因此本设计选用差分放大电路。

由于差分放大电路增益并不算高，实际中多采用Pmos 有源负载以提高增益。

在这里，我们选用以电流镜为负载的差分放大器实现所要求的运算放大器。

电路如图所示：VDDM3M4M2M1IbiasVi2GND323NMOS 器件M1 和M2 作为差分对管，PMOS 器件M4，M5 组成电流源负载。

电流Io 提供差分放大器的偏置电流。

其中M1、M2参数全同，M3、M4参数全同。

，设所有管子都工作在饱和区，如果Vgs1=Vgs2，由对称性，Id1=Id2=Id3=Id4。

差分放大电路的输入输出有许多组合，本设计仅采用双端输入单端输出，因而本文仅对这种情况简要介绍。

当从Vi1输入差模信号，Vi2=0（交流小信号），设Vgs1增大，则相应Id1变大，Id2变小，输出电压Vo=Id2*Ro ；当输入共模信号，Vgs1恒等于Vgs2，则Id2不变，输出电压也不变。

这样就相当于差模输入放大，而共模输入抑制。

下面对具体参数进行设计。

2.2 工艺参数提取重要工艺参数并没有在本设计使用的0.35um 工艺库中直接提供，需要提取。

Tox= 7.00000E-09 mUn= 4.0045690E+02 cm^2/(VS)Up= 1.7853294E+02 cm^2/(VS)图1由0ox oxoxCtεε=K=0.5μCox得200,44==NPKK为求λ值，需要对单个MOS管进行输出特性仿真。

仿真电路如下：得到如下曲线由22()(1)()(1)2ox gs thD ds gs th dsC W V V WI V K V V VL Lλλμ-=+=-+K已知取W\L=1，固定Vgs，则在饱和区取两数据点可得λ仿真单个nmosM1V10VdcV30Vdc4管特性vgs = 3.0000 vth=604.6282m vds id4.2 222.9325u 4.3 223.1347u Kn=200lambdan=0.01仿真单个pmos vgs = -3.5000vth=883.4507mvds id-3.6 -108.9378u -3.5 -108.5570u Kp=44lambdap=0.04 04.0,01.0==p n λλ2.3 理论推导与计算对于上图所示差分放大器，电压增益为)4||2(10r r gm V V A ido== 其小信号等效电路如下：列出电路的传递方程：)(2])21()2[(220oP oN mN L oN mN oP A oN oP L A oN oP oNmN i r r g s C r g r C r r s C C r r r g V V ++++++=第一极点 LoP mP oP A oP oN oP oN mP p C r g r C r r r r g w )21()2()(21++++=可近似为LoN oP p C r r w )||(11=,因为12>>oN mP r g .在达到第一极点之前，从传递函数知增益恒定，当接近第一极点时，电路的增益开始下降，在ω=1p w 时，增益下降3db ，之后增益以-20db/dec 的速度开始下降，直到接近第二个极点。

对于一级放大而言第二极点的影响可以暂时不考虑。

由LoP oN C r r w f )||(21211ππ==又Dp oP D n oN I r I r ⋅=⋅=λλ1,1Dp n oP oN I r r )(1||λλ+=则f1由λ、负载电容L C 、电流D I 共同决定，其中Cl 不变，λ为工艺限制参数，则f1只能由Id 决定。

取VV GST 2.01=（参考文献【1】）)(210p n GST V A λλ+==200该设计最小增益应该为10倍，带宽100MHZ ，GBW=10^9 则f1=GBW/A0=5MHZ本设计取取f1为10MHz ，L C =5pf ，则D I =6.25mA ，则根据上式计算可得Dp n oP oN I r r )(1||λλ+==320Ω。

最后，由于D I 和1GST V 都已确定。

可根据MOS 管在饱和区的电流特性2)(T GS D V V L WKI -=分别得出M1，M2的宽长比为781.25W L =,M3，M4的宽长比为3550WL=。

（注：本文未作特殊说明处均取L=1um ）此电路中用作恒流源电流等于两支路电流之和，12.5REF mA I =.2.4 仿真网表见附录。

电路如图：VDDM3M4M2M1IbiasVi1Vi2GND323结果如下：静态工作点(略去不关心的参数)**** mosfetssubcktelement 0:m1 0:m2 0:m3 0:m4 model 0:n_33 0:n_33 0:p_33 0:p_33 region Saturation Saturation Saturation Saturationid 6.2500000m 6.2500000m -6.2500000m -6.2500000m vgs 959.7753743m 959.7753743m -1.0482749 -1.0482749 vds 1.9115004 1.9115004 -1.0482749 -1.0482749****** ac analysis******freq volt db volt phasevo vo1.00000000 15.0444475 -6.8749998u1.25892541 15.0444475 -8.6551116u1.58489319 15.0444475 -10.8961398u1.99526231 15.0444475 -13.7174277u2.51188643 15.0444475 -17.2692179u3.16227766 15.0444475 -21.7406582u3.98107171 15.0444475 -27.3698659u5.01187234 15.0444475 -34.4566210u6.30957344 15.0444475 -43.3783131u7.94328235 15.0444475 -54.6100615u10.00000000 15.0444475 -68.7499949u12.58925412 15.0444475 -86.5511176u15.84893192 15.0444475 -108.9614004u19.95262315 15.0444475 -137.1742793u25.11886432 15.0444475 -172.6921768u31.62277660 15.0444475 -217.4065723u39.81071706 15.0444475 -273.6986679u50.11872336 15.0444475 -344.5661914u63.09573445 15.0444475 -433.7831586u79.43282347 15.0444475 -546.1006154u100.00000000 15.0444475 -687.4999672u125.89254118 15.0444475 -865.5111389u158.48931925 15.0444475 -1.0896140m199.52623150 15.0444475 -1.3717428m251.18864315 15.0444475 -1.7269218m316.22776602 15.0444475 -2.1740657m398.10717055 15.0444475 -2.7369866m501.18723363 15.0444475 -3.4456621m 630.95734448 15.0444475 -4.3378314m 794.32823472 15.0444468 -5.4610069m 1.00000000k 15.0444468 -6.8750002m 1.25892541k 15.0444468 -8.6551119m 1.58489319k 15.0444469 -10.8961405m1.99526231k 15.0444470 -13.7174278m2.51188643k 15.0444471 -17.2692181m3.16227766k 15.0444466 -21.7406584m 3.98107171k 15.0444463 -27.3698646m5.01187234k 15.0444454 -34.4566182m6.30957344k 15.0444448 -43.3783081m7.94328235k 15.0444434 -54.6100491m 10.00000000k 15.0444413 -68.7499679m 12.58925412k 15.0444376 -86.5510585m 15.84893192k 15.0444317 -108.9612810m 19.95262315k 15.0444233 -137.1740313m 25.11886432k 15.0444093 -172.6916801m 31.62277660k 15.0443869 -217.4055933m 39.81071706k 15.0443509 -273.6966956m 50.11872336k 15.0442953 -344.5622438m 63.09573445k 15.0442062 -433.7752833m 79.43282347k 15.0440652 -546.0849237m 100.00000000k 15.0438423 -687.4685801m 125.89254118k 15.0434883 -865.4485719m 158.48931925k 15.0429273 -1.0894891 199.52623150k 15.0420385 -1.3714937 251.18864315k 15.0406299 -1.7264248 316.22776602k 15.0383991 -2.1730745 398.10717055k 15.0348654 -2.7350096 501.18723363k 15.0292713 -3.4417201 630.95734448k 15.0204197 -4.3299757 794.32823472k 15.0064266 -5.4453629 1.00000000x 14.9843422 -6.8438814 1.25892541x 14.9495683 -8.5933212 1.58489319x 14.8950183 -10.77378011.99526231x 14.8099391 -13.47616012.51188643x 14.6784156 -16.79658713.16227766x 14.4777810 -20.8238533 3.98107171x 14.1776087 -25.61687645.01187234x 13.7405937 -31.17208476.30957344x 13.1269495 -37.38887617.94328235x 12.3029068 -44.053038110.00000000x 11.2507989 -50.861197612.58925412x 9.9752452 -57.489092515.84893192x 8.5011802 -63.672483019.95262315x 6.8650378 -69.258290225.11886432x 5.1045630 -74.209098231.62277660x 3.2516690 -78.575615339.81071706x 1.3292659 -82.460566450.11872336x -649.2715511m -85.988076763.09573445x -2.6795662 -89.281015979.43282347x -4.7654994 -92.4424422100.00000000x -6.9182417 -95.5357831125.89254118x -9.1542038 -98.5607973158.48931925x -11.4904723 -101.4294048199.52623150x -13.9368596 -103.9572096251.18864315x -16.4863334 -105.8946513316.22776602x -19.1096238 -107.0079185398.10717055x -21.7605042 -107.1775145501.18723363x -24.3917334 -106.4476598630.95734448x -26.9722354 -104.9820629794.32823472x -29.4939701 -102.95146911.00000000g -31.9646259 -100.4269566电压增益只有15DB，带宽为8M，GBW=4.5×10^7<<10^9 无法达到指标。