CMOS 两级运放设计
1设计指标
电源电压05V采05um华CMOS工艺完成指标：
模输入电压
固定（）
开环直流增益
单位增益带宽
相位裕度
转换速率
负载电容
静态功耗电流
模抑制
PSRR
2电路分析
21 电路图
22电路原理分析
两级运算放器电路结构图11示偏置电路理想电流源M8组成M8电流源提供电流转换电压M8M5组成电流镜M5电压信号转换电流信号输入级放电路 M1～M5 组成M1 M2 组成PMOS 差分输入差分输入单端输入相效抑制模信号干扰M3M4 电流镜源负载差模电流恢复差模电压M5 第级提供恒定偏置电流流M12电流流M34电流输出级放电路M6M7 组成M6 差分电压信号转换电流M7 电流信号转换电压输出M6 源放器M7 提供恒定偏置电流时作第二级输出负载相位补偿电路Cc 构成构成密勒补偿
3 性指标分析
31 直流分析
第级差分输入M1M2相
第级差分放器电压增益：
第二极源放器电压增益
二级放器总电压增益
32频率特性分析
设 第级输出节点总电容
设 表示第二级输出节点间总电容
般 远晶体电容远
解出电路传输函数
中：
右半面零点
电路极点
次极点
远中部分 中 适似单位增益带宽
33 模抑制分析
果运放差分输入单端输出信号输出电压描述差分模输入电压方程
中差模增益 模增益模抑制定义
应角度考虑理解单位模输入电压变化引起输入失调电压变化
两级运放电路模抑制
中 第级模抑制第二级单端输入单端输出贡献模抑制
源极负反馈增益知等效输入跨导
果化简：
输出阻抗
模增益：
：
34转换速率（slew rate）
Slew Rate 压摆率指信号情况运放输入端接入较阶跃信号输出信号波形会发生变化会发生截者饱现象输出电压变 化时间值做压摆率单位
两级运放输入正输入阶跃 截止电流流 电流镜流样电流 截止电流流恒定电流 流 两端产生电压梯度斜率果 提供足够电流保持恒定漏端电压变结果导致漏端 电压呈梯度升负输入阶跃 截止导通电流全部流流足够电流流保持恒定漏端电压变导致漏端电压负样斜率梯度压摆率SR
负载电容充放电放电存问题度驱动（）时流电流充电时限时间实现通进行充电部分电流留电流样正输入阶跃漏端电压会降会减少流电流电流 充电导致正电压梯度斜率
总SR 两中值
测量转换速率运算放器输出端反相输入端相连图示输出端接3pF电容单位增益结构反馈导致环路增益做坏情况测量采种结构测量转换速率
摆率测量方法
35 电源抑制分析
假设正电源负电源信号变化分 出简化考虑输出信号电压
中A+A分正电源负电源输出信号增益式改写
中
正电源抑制差模增益正电源增益负电源抑制差模增益负电源增益电源抑制应越高越减电源输出影响实际中电源抑制会着频率增加降
实际中电源含纹波运算放器输出中引入噪声效抑制电源噪声输出信号影响需解电源噪声体现运算放器输出端运放输入输出差模增益差模输入0时电源纹波输出增益定义运算放器电源抑制式中vdd0vin0指电压源输入电压交流信号0指直流电需注意电路仿真时认MOS完全致没考虑制造时MOS失配情况仿真PSRR实际测量时设计时留余量
电源抑制原理图
4电路分析设计程
41确定米勒电容
相位裕量：
求60°相位裕量假设RHP零点高10GB
：
求相位裕量
输入情况考虑M1处饱区
输入情况考虑M5处饱区
设计中负载3PF考虑寄生电容存选取初值1PF
42分配电流确定宽长
考虑模输入范围：
输入情况考虑M1处饱区
（4）
输入情况考虑M5处饱区
静态功耗量电流偏置级加入理想电流源5uA(SCS)工艺库文件中查找计算需参数
NMOS
13e8
495094
07192
PMOS
137e8
28327
097255
中：
：电子空穴迁移率
：单位面积栅氧化物电容 ：栅氧厚度
空间介电常数 ：二氧化硅介电常数
根参数手工计算需参数：
（1）取驱动电压01根饱电流公式
（2）满足压摆率求取量终取构成电流镜
（3）时电流先确定宽长取
确定宽长
（4）60°相位裕量值似起码输入级跨导10倍达第级电流镜负载（M3M4）正确镜求：
（5）确定跨长
5 仿真结果
51 测量输入模范围
运算放器常采图3示单位增益结构仿真运放输入模电压范围运放输出端反相输入端相连相输入端加直流扫描电压负电源扫描正电源
输入模范围测量电路
输入模范围细节图
直流扫描输出输入结果
52交流分析
（1）修改前交流分析
带米勒补偿两级运算放器图示封装symbol模块搭建测试电路中该测试电路图中电源单电源5V放器两端模电压25v差模电压交流1v交流分析测试电路图示：
增益相位裕度测试电路
增益相位裕度测试结果图
图中出相位裕度708°增益73dB单位增益带宽仅1894MHZ左右单位增益带宽指标未达
（2）电路存问题解决
加入电流NMOSPMOS电子迁移率空穴迁移率发生变化中子状态反推出前理重新推算子宽长
MOS
WL（计算值）
M1M2
M3M4
M5
M6
M7
M8
仿真结果图：
图中出增益70dB单位增益带宽仅1812MHZ左右单位增益带宽指标未达相位裕度9017°推算出极点odb带宽外
（1）单位增益带宽达标公式知提高单位增益带宽需提高定值增时增取时提高 知变会引起变化需调节
（2）通仿真发现增益满足时相位裕度60满足指标造成相位裕度太原次极点太通提高第二级放增益提高相位裕度变
仿真值参考表：
MOS
WL（计算值）
WL（仿真值）
M1M2
M3M4
M5
M6
M7
M8
运放中功率计算值仿真值
（3）修改交流仿真
修改参数基础仿真结果满足指标
图中出该放器增益75dB单位增益带宽318MHZ相位裕度约61°
53瞬态分析
测量转换速率建立时间运算放器输出端反相输入端相连测试电路图图示相输入端加高低电分2V3V周期5µs时间延迟10ns升时间10ns降时间10ns脉宽度2us脉信号
瞬态分析脉信号
SR测试电路图
根电路理知输出响应分信号响应信号响应两阶段根信号响应斜率直接测量放器正摆率测量时需注意跳变开始时刻计算摆率电容馈通效应存输出曲线会弯曲程
瞬态仿真结果
输出曲线输入曲线细节图
利calculator中slew rate测量输出曲线摆率需注意calculator计算结果国际标准单位表示果表示成计算结果5617设计满足求
54电源电压抑制测试
PSRR衡量电路电源噪声抑制力运算放器连接成单位增益负反馈模式运算放器反相输入端输出端短接差分信号设0电源电压1V交流电压测试电路图示
计算出：
：
测量运算放器PSRR电路
需注意该测试电路图测量运算放器电源抑制PSRR时输出端增益曲线运算放器PSRR倒数幅频特性曲线想观察PSRR幅频特性曲线需利calculator中函数仿真结果取倒数
测量运算放器PSRR电路
运算放器PSRR倒数频率特性
55 CMRR频率响应测量
CMRR放器输入端模信号抑制力中表示差模增益表示模增益运算放器连接成单位增益负反馈模式放器相端反相端输入加相1V交流电压模增益测量电路图：
模增益测量电路
需注意该测试电路图测量运算放器电源模抑制CMRR时输出端增益曲线模增益曲线需直流增益曲线减该曲线模抑制CMRR运算放器低频模抑制80dB
模增益曲线
6总结展
次实验讲述两级运算放器设计程设计程分两部分基参数估算电路考察优化终达指标：
模输入电压
固定
开环直流增益
单位增益带宽
相位裕度
转换速率
负载电容
静态功耗电流
模抑制
pPSRR
nPSRR
设计程中出现问题分析总结：
（1）根估算参数值搭建基电路进行直流仿真发现第级第二级放器输入跨导设计值分析原计算时忽略二级效应造成偏差时工艺库文件中电子迁移率等参数仿真中会根实际情况进行修正造成仿真结果计算仿真致原
（2）仿真时出现相位裕度频率特性曲线开始递减计数开始递减计数分析原接入电源前没判断相端反相端电源输入级相端反相端两端接反出现面情况
（3）设计中相位补偿米勒补偿电容满足相位求设计较第二级放器输入跨导第二级放器较静态电流导致较静态功耗通添加调零电阻电路进行进步优化第级输出间串联电阻通调节电阻便实现零点移动右半面相位裕度改善电阻控制零点方法三种：零点移左半面第二级点重合零点穷远处消零点零点移左半面略GBW位置般12倍GBW处相位超前提高电路稳定性
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1设计指标
电源电压05V采05um华CMOS工艺完成指标：
模输入电压
固定（）
开环直流增益
单位增益带宽
相位裕度
转换速率
负载电容
静态功耗电流
模抑制
PSRR
2电路分析
21 电路图
22电路原理分析
两级运算放器电路结构图11示偏置电路理想电流源M8组成M8电流源提供电流转换电压M8M5组成电流镜M5电压信号转换电流信号输入级放电路 M1～M5 组成M1 M2 组成PMOS 差分输入差分输入单端输入相效抑制模信号干扰M3M4 电流镜源负载差模电流恢复差模电压M5 第级提供恒定偏置电流流M12电流流M34电流输出级放电路M6M7 组成M6 差分电压信号转换电流M7 电流信号转换电压输出M6 源放器M7 提供恒定偏置电流时作第二级输出负载相位补偿电路Cc 构成构成密勒补偿
3 性指标分析
31 直流分析
第级差分输入M1M2相
第级差分放器电压增益：
第二极源放器电压增益
二级放器总电压增益
32频率特性分析
设 第级输出节点总电容
设 表示第二级输出节点间总电容
般 远晶体电容远
解出电路传输函数
中：
右半面零点
电路极点
次极点
远中部分 中 适似单位增益带宽
33 模抑制分析
果运放差分输入单端输出信号输出电压描述差分模输入电压方程
中差模增益 模增益模抑制定义
应角度考虑理解单位模输入电压变化引起输入失调电压变化
两级运放电路模抑制
中 第级模抑制第二级单端输入单端输出贡献模抑制
源极负反馈增益知等效输入跨导
果化简：
输出阻抗
模增益：
：
34转换速率（slew rate）
Slew Rate 压摆率指信号情况运放输入端接入较阶跃信号输出信号波形会发生变化会发生截者饱现象输出电压变 化时间值做压摆率单位
两级运放输入正输入阶跃 截止电流流 电流镜流样电流 截止电流流恒定电流 流 两端产生电压梯度斜率果 提供足够电流保持恒定漏端电压变结果导致漏端 电压呈梯度升负输入阶跃 截止导通电流全部流流足够电流流保持恒定漏端电压变导致漏端电压负样斜率梯度压摆率SR
负载电容充放电放电存问题度驱动（）时流电流充电时限时间实现通进行充电部分电流留电流样正输入阶跃漏端电压会降会减少流电流电流 充电导致正电压梯度斜率
总SR 两中值
测量转换速率运算放器输出端反相输入端相连图示输出端接3pF电容单位增益结构反馈导致环路增益做坏情况测量采种结构测量转换速率
摆率测量方法
35 电源抑制分析
假设正电源负电源信号变化分 出简化考虑输出信号电压
中A+A分正电源负电源输出信号增益式改写
中
正电源抑制差模增益正电源增益负电源抑制差模增益负电源增益电源抑制应越高越减电源输出影响实际中电源抑制会着频率增加降
实际中电源含纹波运算放器输出中引入噪声效抑制电源噪声输出信号影响需解电源噪声体现运算放器输出端运放输入输出差模增益差模输入0时电源纹波输出增益定义运算放器电源抑制式中vdd0vin0指电压源输入电压交流信号0指直流电需注意电路仿真时认MOS完全致没考虑制造时MOS失配情况仿真PSRR实际测量时设计时留余量
电源抑制原理图
4电路分析设计程
41确定米勒电容
相位裕量：
求60°相位裕量假设RHP零点高10GB
：
求相位裕量
输入情况考虑M1处饱区
输入情况考虑M5处饱区
设计中负载3PF考虑寄生电容存选取初值1PF
42分配电流确定宽长
考虑模输入范围：
输入情况考虑M1处饱区
（4）
输入情况考虑M5处饱区
静态功耗量电流偏置级加入理想电流源5uA(SCS)工艺库文件中查找计算需参数
NMOS
13e8
495094
07192
PMOS
137e8
28327
097255
中：
：电子空穴迁移率
：单位面积栅氧化物电容 ：栅氧厚度
空间介电常数 ：二氧化硅介电常数
根参数手工计算需参数：
（1）取驱动电压01根饱电流公式
（2）满足压摆率求取量终取构成电流镜
（3）时电流先确定宽长取
确定宽长
（4）60°相位裕量值似起码输入级跨导10倍达第级电流镜负载（M3M4）正确镜求：
（5）确定跨长
5 仿真结果
51 测量输入模范围
运算放器常采图3示单位增益结构仿真运放输入模电压范围运放输出端反相输入端相连相输入端加直流扫描电压负电源扫描正电源
输入模范围测量电路
输入模范围细节图
直流扫描输出输入结果
52交流分析
（1）修改前交流分析
带米勒补偿两级运算放器图示封装symbol模块搭建测试电路中该测试电路图中电源单电源5V放器两端模电压25v差模电压交流1v交流分析测试电路图示：
增益相位裕度测试电路
增益相位裕度测试结果图
图中出相位裕度708°增益73dB单位增益带宽仅1894MHZ左右单位增益带宽指标未达
（2）电路存问题解决
加入电流NMOSPMOS电子迁移率空穴迁移率发生变化中子状态反推出前理重新推算子宽长
MOS
WL（计算值）
M1M2
M3M4
M5
M6
M7
M8
仿真结果图：
图中出增益70dB单位增益带宽仅1812MHZ左右单位增益带宽指标未达相位裕度9017°推算出极点odb带宽外
（1）单位增益带宽达标公式知提高单位增益带宽需提高定值增时增取时提高 知变会引起变化需调节
（2）通仿真发现增益满足时相位裕度60满足指标造成相位裕度太原次极点太通提高第二级放增益提高相位裕度变
仿真值参考表：
MOS
WL（计算值）
WL（仿真值）
M1M2
M3M4
M5
M6
M7
M8
运放中功率计算值仿真值
（3）修改交流仿真
修改参数基础仿真结果满足指标
图中出该放器增益75dB单位增益带宽318MHZ相位裕度约61°
53瞬态分析
测量转换速率建立时间运算放器输出端反相输入端相连测试电路图图示相输入端加高低电分2V3V周期5µs时间延迟10ns升时间10ns降时间10ns脉宽度2us脉信号
瞬态分析脉信号
SR测试电路图
根电路理知输出响应分信号响应信号响应两阶段根信号响应斜率直接测量放器正摆率测量时需注意跳变开始时刻计算摆率电容馈通效应存输出曲线会弯曲程
瞬态仿真结果
输出曲线输入曲线细节图
利calculator中slew rate测量输出曲线摆率需注意calculator计算结果国际标准单位表示果表示成计算结果5617设计满足求
54电源电压抑制测试
PSRR衡量电路电源噪声抑制力运算放器连接成单位增益负反馈模式运算放器反相输入端输出端短接差分信号设0电源电压1V交流电压测试电路图示
计算出：
：
测量运算放器PSRR电路
需注意该测试电路图测量运算放器电源抑制PSRR时输出端增益曲线运算放器PSRR倒数幅频特性曲线想观察PSRR幅频特性曲线需利calculator中函数仿真结果取倒数
测量运算放器PSRR电路
运算放器PSRR倒数频率特性
55 CMRR频率响应测量
CMRR放器输入端模信号抑制力中表示差模增益表示模增益运算放器连接成单位增益负反馈模式放器相端反相端输入加相1V交流电压模增益测量电路图：
模增益测量电路
需注意该测试电路图测量运算放器电源模抑制CMRR时输出端增益曲线模增益曲线需直流增益曲线减该曲线模抑制CMRR运算放器低频模抑制80dB
模增益曲线
6总结展
次实验讲述两级运算放器设计程设计程分两部分基参数估算电路考察优化终达指标：
模输入电压
固定
开环直流增益
单位增益带宽
相位裕度
转换速率
负载电容
静态功耗电流
模抑制
pPSRR
nPSRR
设计程中出现问题分析总结：
（1）根估算参数值搭建基电路进行直流仿真发现第级第二级放器输入跨导设计值分析原计算时忽略二级效应造成偏差时工艺库文件中电子迁移率等参数仿真中会根实际情况进行修正造成仿真结果计算仿真致原
（2）仿真时出现相位裕度频率特性曲线开始递减计数开始递减计数分析原接入电源前没判断相端反相端电源输入级相端反相端两端接反出现面情况
（3）设计中相位补偿米勒补偿电容满足相位求设计较第二级放器输入跨导第二级放器较静态电流导致较静态功耗通添加调零电阻电路进行进步优化第级输出间串联电阻通调节电阻便实现零点移动右半面相位裕度改善电阻控制零点方法三种：零点移左半面第二级点重合零点穷远处消零点零点移左半面略GBW位置般12倍GBW处相位超前提高电路稳定性
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