模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器的设计信息科学技术学院电子与科学技术系一、概述：运算放大器是一个能将两个输入电压之差放大并输出的集成电路。运算放大器是模拟电子技术中最常见的电路，在某种程度上，可以把它看成一个类似于BJT或FET的电子器件。它是许多模拟系统和混合信号系统中的重要组成部分。它的主要参数包括：开环增益、单位增益带宽、相位阈度、输入阻抗、输入偏流、失调电压、漂移、噪声、输入共模与差模范围、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。二、设计任务：设计一个二级运算放大器，使其满足下列设计指标：工艺Smic40nm电源电压1.1v负载100fF电容增益20dB至少40dB3dB带宽20MHz输入小信号幅度5uV共模电平自己选取输出共模电平自己选取电路结构两级放大器相位裕度60~70度功耗无要求三、电路分析：1.电路结构：最基本的二级运算放大器如下图所示，主要包括四部分：第一级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。2.电路描述：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1组成。PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地抑制共模信号干扰；NM0和NM1构成电流镜作为有源负载；PM2作为恒流源为放大器第一级提供恒定的偏置电流。第二级放大电路由NM2和PM3构成。NM2为共源放大器；PM3为恒流源作负载。相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成，跨接在第二级输入输出之间，构成RC米勒补偿。此外从电流电压转换角度来看，PM0和PM1为第一级差分跨导级，将差分输入电压转换为差分电流。NM0和NM1为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。NM2为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而PM3再次将电流信号转换成电压信号输出。偏置电压由V0和V2给出。3.静态特性对第一级放大电路：构成差分对的PM0和PM1完全对称，故有Gm1=gmp0=gmp1(1)第一级输出电阻Rout1=rop1||ron1(2)则第一级电压增益A1=Gm1Rout1=gmp0,1(rop1||ron1)(3)对第二级放大电路：电压增益A2=Gm2Rout2=-gmn2(ron2||rop3)(4)故总的直流开环电压增益A0=A1A2=-gmp0,1gmn2(rop1||ron1)(ron2||rop3)(5)由于所有的管子都工作在饱和区，所以对于gm我们可以用公式gm=DILW)/(Cox2(6)进行计算；而电阻ro可由下式计算ro=DI1(7)其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L。4.频率特性第一级输出节点到地的总电容Cout1Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2（8）第二级输出节点到地的总电容Cout2Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL(9)列出KCL方程：0)(CG2021121oiioutoutiidmVVsVsCRVV（10）0)(G202out222ioooutoimVVsCVsCRVV（11）联立（10）、（11）消去中间变量Vi2得电路的传递函数为1)(221021bsasRRsCGGVVoutoutmmido（12）其中a=[Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)]Rout1Rout2b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2)(13)由式（12）可得零点020222CgCGfmnmZ（14）再看式（12）分母部分，对于形如as2+bs+1=0的方程，如果有两个实根并相距很远，有s1=-c/b,s2=-b/a。由此得两个实根分别为)R(1s21212022111outoutoutoutmnoutoutoutoutRRRgCRCRC(15)212102121212022112)]([)R(outoutoutoutoutoutoutoutoutoutmnoutoutoutoutRRCCCCCRRRgCRCRCs(16)于是电路的主极点)]1([212220111outmnoutoutdRgCCRsf(17)而次级点)(22020121022CCCCCCCgsfoutoutoutoutmnnd(18)由于Cout2和C0远大于Cout1，而Cout1中主要的部分为CGSN2，Cout2中则以CL为主，经过适当近似可得单位增益带宽为01,002CgfAGBWmpd(19)四、设计步骤：1）原理图绘制①根据设计好的电路图选择并添加需要的器件；②将各个器件摆放好位置并连线；③根据设计要求将VDD设置成1.1V，CL设置成100fF，输入交流信号5uV，1MHz；④初始设置所有管子的宽长比为50u/200n,输入直流偏置300mV；2）参数调节第一级：①首先要保证PM2工作在饱和区，P管的阈值电压VTHP在420mV左右要保证VSGP>VTHP，要求VDD-Vb>VTHP，于是需要Vb<680mV，设置直流偏置Vb=450mV；由于PM2是作为恒流源，所以其L不能太小，设置L=600n,此时可通过仿真查看直流工作点，观察到PM2漏极电压超过1V，工作在线性区，增大PM2、PM0、PM1、NM0、NM1的宽长比，使得PM2工作在饱和区...
