LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计V SSvoutiref图 1两级CMOS 运算放大器一：基本目标：参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标： 5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤相位裕度：60o为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。

在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。

要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。

因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。

这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。

为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。

如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。

表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 二：两级放大电路的电路分析：图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。

图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。

表2m μ工艺库提供的模型参数表3 一些常用的物理常数利用表2、表3中的参数/OX ox ox C t ε=0oxK C μ'=计算得到2110/NK A V μ'≅ 262/PK A V μ'≅ 第一级差分放大器的电压增益为：1124m v ds ds g A g g -=+ （1）第二极共源放大器的电压增益为6267m v ds ds g A g g -=+ （2）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）相位裕量有111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GB p p z ---Φ=±---=o o 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 ---++= 102tan ()24.3GBp -= 所以2 2.2p GB ≥ 即622.2()m m L cg gC C > 由于要求60o的相位裕量，所以626210()10m m m m c cg gg g C C >⇒>可得到 2.20.2210LcL C C C >== 因此由补偿电容最小值，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 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 --≥⇒≤++ （5）而电路的一些基本指标有11m v Cg p A C =-（6）（7）（8） 1m Cg GB C =（9） CMR: 正的CMRin31()()DD T T V V V +（最大）=V 最大最小 (10)负的CMRin15()()SS T DS V V V ++（最小）=V 最大饱和 (12)由电路的压摆率5d CI SR C =得到 5d I =(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取40iref A μ=。

)则可以得到，1,23,45/220d d d I I I A μ===下面用ICMR 的要求计算(W/L)353'2331()()[]DD SG TN I WL K V V V =-+≅11/1 所以有3()W L =4()WL=11/1由1m Cg GB C =，GB=5MHz ，我们可以得到6121510231094.2m g s πμ-=⨯⨯⨯⨯= 即可以得到2m112'1g (/)(/)2/12N W L W L K I ==≅ 用负ICMR 公式计算5Dsat V 由式（12）我们可以得到下式15(min)IC SS GS Dsat V V V V =++如果5DS V 的值小于100mv ，可能要求相当大的5(/)W L ，如果5Dsat V 小于0，则ICMR 的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小5I 或者增大5(/)W L 来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们(min)IC V 等于为下限值进行计算152511(min)Dsat IC TN SS I V V V V β=---（）则可以得到的5Dsat V 进而推出555'2552(/)()Dsat S W L K V ==（I ）11/1≅即有58(/)(/)11/1W L W L =≅为了得到60°的相位裕量，6m g 的值近似起码是输入级跨导1m g 的10倍（allen 书例），我们设6110942m m g g s μ==，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求46SG SG V V =，图中x ，y 点电位相同我们可以得到6644(/)(/)64/1m m g W L W L g ==进而由6m g =我们可以得到直流电流 22m6m667''6666g g 113.72(/)2d d I I A K W L K S μ==== 同样由电流镜原理，我们可以得到7755(/)(/)32/1d d I W L W L I == 三：指标的仿真和测量电路基本元件的spice网表.lib'c:\synopsys\' ttm1 x vin vn vss mn w=2u l=1um2 y vin vn vss mn w=2u l=1um3 x x vdd vdd mp w=11u l=1um4 y x vdd vdd mp w=11u l=1um5 vn 3 vss vss mn w=11u l=1um6 vout y vdd vdd mp w=64u l=1um7 vout 3 vss vss mn w=32u l=1um8 3 3 vss vss mn w=11u l=1uIref vdd 3 40uVdd vdd 0 dcVss vss 0 dcVin vin 0 dc 0.end1、DC分析图2 VOUT、M5管电流、M7管电流、Vx与Vy与输入共模电压变化的关系Vss<vin<Vth+VssM1,M2,M3,M4工作在截止区。

由于管子宽长比的设定而使得M1,M2,M3,M4都工作截止区时V （x），V（y）点的的电压大约在左右，因此M6的V sg小于其阈值电压，M6处于截止状态。

此时M5,M7的Vgs相等为定值，即为M8与电流源内阻的分压，且大于其阈值电压，故M5,M6管子应当处于饱和或者线性区，而此时Vss的电流接近40u，即接近Iref，所以M5，M7管子电流接近0，因此我们可以得到M5,M7管都处于线性区。

Vin> Vth+VssV不是很大，这样导致Vx的电压M3，M4工作在饱和区。

而由于此时电流不是很大，导致SG 3,4还是比较高，所以M1，M2工作在饱和区。

M5由于这个时候的电流不很大，仍然工作在线性区。

即这时M1,M2,M3,M4都工作在饱和区，M5工作在线性区. M6会随着Vx电压的下降而导通。

而刚开始导通时，Vout 的比较小(这是由于M7管此时仍然处于线性区，DS7V 较小)，SD6V 比较大而使得M6管工作在饱和区。

随着Vin 的进一步的增大，M5的电流增大，M5的漏极电压也随着增大，最后一直到M1,M2,M3,M4，M5都工作在了饱和区。

而此时Vy 的电压变得恒定了。

2、测量输入共模范围运算放大器常采用如图3所示的单位增益结构来仿真运放的输入共模电压范围，即把运放的输出端和反相输入端相连，同相输入端加直流扫描电压，从负电源扫描到正电源。

得到的仿真结果如图3所示（利用MOS 管的GD 极性相反来判断放大器的同相端与反相端）V INV DDV SSI DDI SSC LV OUT图3 测量共模输入范围的原理图图4 测量共模输入范围的电路图图5 运放的输入共模电压范围从图中可以得到输入共模范围满足设计指标(-1V~2V)3、测量输出电压范围在单位增益结构中，传输曲线的线性收到ICMR 限制。

若采用高增益结构，传输曲线的线性部分与放大器输出电压摆幅一致，图6为反相增益为10的结构，通过R L 的电流会对输出电压摆幅产生很大的影响，要注意对其的选取，这里我们选取R L =50K Ω，R=60K Ω.图8为输出电压范围V V DDV SSC LV OUT 10RRRL图6 测量输出电压范围的原理图图7 测量输出电压范围的电路图图8 输出电压的范围可以看出输出电压摆率大概在-2V~2V之间，基本满足要求4、测量增益与相位裕度相位裕度是电路设计中的一个非常重要的指标，用于衡量负反馈系统的稳定性，并能用来预测闭环系统阶跃响应的过冲，定义为：运放增益的相位在增益交点频率时（增益幅值等1的频率点为增益交点），与-180°相位的差值。

图9 测量增益与相位裕度的原理图（a）（b ）图10 运放的交流小信号分析从图中看出，相位裕度63°，增益66dB ，增益指标未达到，单位增益带宽仅有4GB 左右 5、电路存在的问题与解决1、共模输入范围的下限可以进一步提高。

这时我们观察计算过程发现它主要由M5管来确定。

为了能够使范围下限更小，我们加大M5管宽长比，以降低M5管的饱和电压 ，这样M7和M8的宽长比也要按比例往上调。

当（W/L=50/1）可以实现指标。

此时7(/)144/1W L =、85(/)(/)50/1W L W L == 。