CMOS两级运放设计解读VIP专享VIP免费

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（2DDSSVV）开环直流增益60dB单位增益带宽30MHZ相位裕度60degree转换速率30Vus负载电容3pF静态功耗电流1mA共模抑制比60dBPSRR60dB2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1,23,45/2dddIII。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：1124mvdsdsgAgg第二极共源放大器的电压增益为6267mvdsdsgAgg所以二级放大器的总的电压增益为16261224675246672()()mmmmvvvdsdsdsdsggggAAAggggII3.2频率特性分析设1C为第一级输出节点到地的总电容，有122446GDDBGDDBGSCCCCCC设2C表示第二级输出节点与地之间的总电容，有2677DBDBGDLCCCCC一般，由于LC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1216021cmmidsasbsggCRRVV其中：121212caCCCCCRR121212126cmbgCCCRRRRRR可以得到右半平面零点为62mzcgfC从而电路的主极点1261dcmfgCRR而次极点6mndLgfC由于2C和CC远大于1C，而1C中最主要的部分为6GSC,2C中则以LC为主，经过适当近似，可以得到单位增益带宽为102mdcGBWgfAC3.3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dmcmOidicVVVAA其中dmA是差模增益，有0dmAA，cmA是共模增益。共模抑制比的定义为dmcmCMRRAA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5331533dmidcmidCMRRCMRRVVAVVVVAVV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mG为:115151212ommooomgrGgrrr如果1512oomgrr，那么mG可以化简为：512moGr输出阻抗为:35151331121outoooommmgRrrrrgg所以共模增益为：5512cmoutmomGARgr得到：524512dmooommcmCMRRAggrrrA3.4转换速率（slewrate）SlewRate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CC流过。恒定电流5dsI流过CC在其两端产生一个电压梯度，斜率为5dsCVtIC。如果7M提供足够的电流给6M，那么6GSV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CC。由于7M有足够的电流流过6M，6GSV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5intDSCSRIC对于负载电容LC也要充放电。对LC放电不存在问题，因为当6M过度驱动（6GSV很大）时可以流经很大的电流。但是当对LC充电时，只能在有限的时间内实现，因为LC是通过7M进行充电的。由于7M有一部分电流5DSI要留过CC，所以只有75DSDSII的电流经过LC。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75DSDSII对LC充电，导致一个正的电压梯度，斜率为75DSDSextLSRIIC所以总的SR是这两个中的最小值intmin{,}extSRSRSR,得到575min{,}DSDSDSCLSRIIICC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...