LAB2 两级CMOS运算放大器的设计
VDDM3xirefvin1M1Vn M4yM6Ccvin2CLM7一：基本目标：
参照《CMOS模拟集成电路设计第二版》p223.例设计一个CMOS两级放大器，满足以下指标： Av?5000V/V(74db) VDD?2.5V VSS??2.5V
为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：
单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS管不可避免地减少了输出电压的范围。因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。
voutM2Id5M83M5VSS
图 1两级CMOS运算放大器
GB?5MHz CL?10pF SR?10V/?s
Vout范围=?2V ICMR??1~2V Pdiss?2mW
相位裕度：60
典型的无缓冲CMOS运算放大器特性 边界条件 工艺规范 电源电压 电源电流 工作温度范围 特性 增益 增益带宽 建立时间 摆率 ICMR CMRR PSRR 输出摆幅 输出电阻 失调 噪声 版图面积 见表2、3 要求 ?2.5V?10% 100Μa 0~70° 要求 ?70dB ?5MHz ?1?s ?5V/μs ??1.5V ?60dB ?60dB ??1.5V 无，仅用于容性负载 ??10mV ?100nVHz(1kHz时) ?5000?(最小沟道长度)2 表1 典型的无缓冲CMOS运算放大器特性
二：两级放大电路的电路分析：
图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流
Id1,2?Id3,4?Id5/2，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结
构使得在x，y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图1所示，Cc为引入的米勒补偿电容。
表2 ?m工艺库提供的模型参数
工艺参数 NMOS PMOS 单位
表3 一些常用的物理常数
常数符号 常数描述 室温下 自由空间介电常数 二氧化硅的介电常数 值 4.144?10?21 CSMC Double Poly Mix CMOS process model Vth0 tox ?0 cm2V?S V m 单位 KT ?0 J FFcmcm8.854?10?14 3.5?10-13 ?ox 利用表2、表3中的参数
COX??ox/toxK???0Cox计算得到
??110?A/V2 KN??62?A/V2 KP第一级差分放大器的电压增益为：
Av1?第二极共源放大器的电压增益为
?gm1 （1）
gds2?gds4Av2??gm6 （2）
gds6?gds7所以二级放大器的总的电压增益为
Av?Av1Av2?gm1gm62gm2gm6? （3）
gds2?gds4gds6?gds7I5(?2??4)I6(?6??7)相位裕量有
?GBM??180?tan?1(p)?tan?1(GB)?tan?1(GB)?60 1p2z1要求60°的相位裕量，假设RHP零点高于10GB以上
tan?1(Av)?tan?1(GBp)?tan?1(0.1)?1200 2tan?1(GBp)?24.30 2所以p2?2.2GB 即
gm6?2.2(gm2CC) Lc由于要求60的相位裕量，所以
gm6?10(gm2C)?gm6?10gm2 cCc可得到C2.2CLc?10?0.22CL= 因此由补偿电容最小值，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 考虑共模输入范围：
在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有
VDD?VSG3?Vn?VIC(max)?Vn?VTN1?VIC(max)?VDD?VSG3?VTN1在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有
VIC(min)?VSS?VGS1?VDsat5?VIC(min)?VSS?VGS1?VDsat5 而电路的一些基本指标有
p1??gm1A vCCpgm6GB是单位增益带宽 2??C LP1是3DB带宽 （4）（5）（6）（7）
z1?gm6 （8） CCgm1 （9） CCGB?CMR:
正的CMR V（最大）=VDD?inI5?3I5?VT3(最大)?VT1(最小) (10)
负的CMR V（最小）=VSS?in?1?VT1(最大)?VDS5(饱和) (12)
由电路的压摆率SR?Id5得到 CCId5=(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取iref?40?A。)则可以得到，Id1,2?Id3,4?Id5/2?20?A
下面用ICMR的要求计算(W/L)3
(所以有(由GB?I5W)3?'?11/1 L(K3)[VDD?VSG3?VTN1]2WW)3=()4=11/1 LLgm16?12，GB=5MHz，我们可以得到gm1?5?10?2??3?10?94.2?s CCg2m1即可以得到(W/L)1?(W/L)2??2/1 '2KNI1用负ICMR公式计算VDsat5由式（12）我们可以得到下式
VIC(min)?VSS?VGS1?VDsat5
如果VDS5的值小于100mv，可能要求相当大的(W/L)5，如果VDsat5小于0，则ICMR的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小I5或者增大(W/L)5来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们VIC(min)等于为下限值进行计算
两级CMOS运算放大器的设计与spectrum仿真
