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CMOS两级运算放大器设计及仿真

试验汇报

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一、运算放大器设计介绍
运算放大器是很多模拟及数模混合信号系统中一个十分关键部分。多种不一样复杂程度运放被用来实现多种功效：从直流偏置产生到高速放大或滤波。
运算放大器设计可分为两个步骤。第一步是选择或搭建运放基础结构，绘出电路结构草图。确定好电路结构不能轻易修改。
运算放大器电路结构确定以后需要选择直流电流，手工设计管子尺寸，和设计赔偿电容等关键参数。为了满足运放交流和直流需要，全部管子必需设计出适宜尺寸。在手工计算基础上，利用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。在分析仿真结果基础上判定电路是否符合设计要求。若不符合，再回到手工计算，调试电路。
二、设计目标
电路参数要求：
(1)直流或低频时小信号差模电压增益
Avd = 4000V/V(72dB)
(2)增益带宽积
GBW = 10MHz
(3)输入共模电压范围
Vcm,min = 0.4V，Vcm,max = 1.5V
(4)输出电压摆幅
0.2V < Vout < 1.5V
(5)相位裕度
PM = 60
(6)负载电容
CL = 1pF
(7)电源电压
VDD = 1.8V
使用CMOS-90nm工艺库。

三、电路设计
1.电路结构
最基础CMOS二级密勒赔偿运算跨导放大器结构以下图所表示。关键包含四大部分：第一级双端输入单端输出差分放大级、第二级共源放大级、直流偏置电路及密勒赔偿电路。

2.电路描述
输入级放大电路由PM0、PM2、NM1、NM3组成，其中PM0和PM2组成电流源偏置电路，NM1和NM3组成差分放大电路，输入端分别为IN1和IN2，单端输出。以下图所表示。

输出级放大电路由PM1和NM4组成，其中PM1为共源放大级电路，NM4为电流源偏置电路。以下图所表示。

电流源偏置电路由NM0、NM2和NM4组成，其中NM0接偏置电流源，电流源电流为30uA。以下图所表示。

选择电源电压为1.8V。
共模输入电压设为500mV，差模输入电压设IN1、IN2为5uV交流小信号，方向相反。以下图所表示。

3.参数估量
第一级放大电路电压增益：

第二级放大电路电压增益：

两级放大电路总增益：

增益带宽积：

设置直流工作点：
对单个nmos管进行gm/Id、Id/w和Vgs图形仿真，以下图所表示。

取gm/Id为10，Vgs为0.3V，可得差动放大级单边电路偏置电流为15uA。依据镜像电流源特征可设置Iref为30uA。设置第二级共源放大级直流偏置电流为34.3uA。
宽长比计算以下：
偏置电路：
NM0 4.5
NM2 4.5
NM4 5.15
差分放大电路：
PM0 1.875
PM2 1.875
NM1 15
NM3 15
共源放大级：
PM1 4.7
密勒赔偿电路参数配置
Rc 10K
Cc 3pF
四、仿真调试
测试环境搭建。tran为扫频时间，设置输入信号频率为1KHz，所以tran值设置为10ms。扫频范围为1至100GHz。并保留直流工作点信息。以下图所表示。

测试第一级差动放大级放大倍数。以下图所表示。

放大倍数大约为250倍，红色线条为第一级输出。相当于本征放大增益平方。

测试两级放大电路放大倍数。以下图所表示。

四条波形线分别为差动输出级、IN1、IN2、OUT。
便于观察放大倍数，将放大倍数及带宽截图以下。

放大倍数约为11000倍，带宽为1KHz。所以增益带宽积大于10 MHz。
相位和放大倍数关系以下图所表示。

在增益降为0dB时候，相位降幅大约为110度，即相位裕度大约为70度。

五、试验结果
电路仿真参数：
(1)直流或低频时小信号差模电压增益
Avd = 11000V/V(80dB)
(2)增益带宽积
GBW = 11MHz
(3)输入共模电压
Vcm = 0.5V
(4)输出电压
1.3V < Vout < 1.4V
(5)相位裕度
PM = 70度
(6)负载电容
CL = 1pF
(7)电源电压
VDD = 1.8V
(8)密勒赔偿电容及电阻
Rc = 10K
Cc = 3pF
仿真参数满足设计要求。