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 电源电压 负载 增益20dB 3dB带宽 输入小信号幅度 输出共模电平 电路结构 相位裕度 功耗 Smic40nm 1.1v 100fF电容 至少40dB 20MHz 5uV 共模电平自己选取 自己选取 两级放大器 60~70度 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=2?Cox(W/L)ID (6) 进行计算；
而电阻ro可由下式计算 ro=
1?ID (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Cout1
Cout1=CGDP1+CDBP1+CGDN1+CDBN1+CGSN2 （8） 第二级输出节点到地的总电容Cout2
Cout2=CDBN2+CDBP3+CGDP3+CL (9) 列出KCL方程：
Gm1Vid?Vi2?sCout1Vi2?sC0(Vi2?Vo)?0 Rout1Vo?sCout2Vo?sC0(Vo?Vi2)?0 Rout2 （10） （11）
Gm2Vi2?联立（10）、（11）消去中间变量Vi2得电路的传递函数为
VoGm1(Gm2?sC0)Rout1Rout2? Vidas2?bs?1 （12）
其中a=[Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)]Rout1Rout2
b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2)
(13)
由式（12）可得零点
模拟CMOS集成电路设计课程设计实验报告(二级放大器的设计)
