IC设计-电流型运算放大器

IIC课程设计报告题目：电流型运算放大器的设计编号：（10）成绩：II摘要本文主要介绍了利用MOS管及基本器件搭建电流型运算放大器的整体设计流程，从原理分析到实际手工计算，同时对设计电路进行了详尽的仿真分析，并对主要的性能指标（直流工作点，增益带宽积，开环增益，静态电流）进行了系统化的分析和验证。文中详细说明了在设计过程中所遇到问题的解决方案，计算过程，软件使用及Hspice仿真代码的解释。关键词：电流型运算放大器直流工作点增益带宽积开环增益静态电流HspiceIIIAbstractThispapermainlyintroducedtheuseofMOSpipeandbasicdevicesetupcurrentmodelofoperationalamplifieroveralldesignprocess,fromtheoryanalysistotheactualmanualcalculation,andthecircuitdesignforadetailedsimulationanalysis,andthemainperformanceindex(DCOperatingPoint,GBW，open-loopgain,staticcurrent)thesystematicanalysisandverification.Thispaperdetailsinthedesignprocessofthesolutionoftheproblem,thecalculationprocess,thesoftwareuseandHspicesimulationcodeexplanation.Keywords:currentmodeloperationalamplifierDCOperatingPointGBWopen-loopgainstaticcurrentHspcieI目录摘要...............................................................................................IIAbstract..............................................................................................III1第一章：课题理解.....................................................................11.1课题内容与要求........................................................................11.2课题分析....................................................................................11.3.1背景调查...................................................................................11.3.2设计基础原理...........................................................................12第二章：设计具体过程.............................................................42.1系统设计....................................................................................42.2内部结构图设计........................................................................62.3各元件参数设置........................................................................62.3.1确定电流...................................................................................62.3.2过驱动电压的设置...................................................................72.3.3MOS管长度的确定..................................................................72.3.4MOS管宽度的确定..................................................................72.3.5输入电阻Ri大小的确定.........................................................72.3.6反馈电阻Rf和源电阻Rs的确定.........................................102.4手工计算指标验证..................................................................113第三章：电路仿真过程...........................................................143.1直流工作点确定.......................................................................143.2直流分析...................................................................................153.2.1直流工作状态分析....................................................................153.2.2静态电流分析............................................................................16II3.3交流分析...................................................................................173.3.1开环增益分析............................................................................173.3.2增益带宽积的分析....................................................................183.4瞬态分析...................................................................................193.4.1转换速率的分析........................................................................194第四章：设计结果分析...........................................................204.1指标分析...................................................................................204.2改进思考...................................................................................215设计总结和心得.......................................................................226致谢........................................................................................247参考文献........................................................................................258附录（网表清单）...................................................................2611第一章：课题理解1.1课题内容与要求课题题目：电流型运算放大器的设计电流型运算放大器是一种对电流信号进行放大的电路，相对于电压型运算放大器，它具有更快的速度和更大的输入噪声。本题目的要求是设计一款电流型运算放大器，在5V电源电压条件下，其性能尽可能满足如下指标：1.开环增益大于60dB；2.增益带宽积大于5MHz；3.转换速率大于50V/us；4.静态电流小于2mA。1.2课题分析1.3.1背景调查电压运算放大器受信号传递方式的限制，在工作速度和频率方面不能满足高速系统的需求。采用电流模技术设计和制造的电流型运算放大器在工作速度、精度、带宽和线性度方面均获得很高性能。电压运算放大器输出电压与同相输入端和反相输入端电位差有关，动态特性受增益带宽积与转换速率影响。电流型运放以电流为输入信号，电压为输出信号，强调电流模运算，寄生节点电容影响小速率快。1.3.2设计基础原理本次设计主要采用MOS管搭建基础电路，故有必要在设计前，对单管的设2计参数进行一定的计算分析，这样既可以更加灵活的掌握MOS管的特性，又可以积极有效的应用各项参数：1）单管的主要参数：①开启电压VT:VT是增强型MOS管的参数。当υDS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅源间的电压。（本次设计电路所用到的均为增强型MOS管）②输出电阻ro：ro=GSDDSViv=Di1【此公式第二个等号之后仅适用于NMOS】③夹断电压VP:VP是耗尽型MOS管的参数。当υDS为某以固定值使iD等于一个微小电流时，栅源间的电压。（本次设计未用到耗尽型MOS管）④低频互导gm:gm=DSGSDVvi=2Kn'(GSv-Tv)=DILWKn)(2'【'nK=oxnC】2）Sah--萨支唐方程：①对于NMOS饱和区：)1()(212'DSDvVVLWKITNGSN【考虑了沟长调制效应】②对于PMOS饱和区)1()(212'DSDvVVLWKITPGSP3)输出特性曲线：3（1）增强型输出特性曲线尤其应该注意的是MOS管的工作范围，我们要求的是让MOS管工作在饱和区，即。我们需要的TGSDSVVV即是这个工作范围。42第二章：设计具体过程2.1系统设计RfRsRiRoCLB*iViVovi①闭环增益闭环后的等效电路如上，可以列出方程：0**iBRoVoRfRiiVo0**iRsRiiViRfRiiVo得到：RoRfBRiRoRfRoVoRfRiRsRiRfRsRsVoRfVi***)()***(**假定：1、B设定在10左右52、B*RfRiB*RsRi3、RoRfRs注意：这里的假定是合理的，因为理想的电流型运放的开环输出阻抗Ro为无穷大，输入阻抗Ri为0。有了这些假定，上式就可以简化为：RoRfBRoVoRfRiRfRsRsVoRfVi***)**(**即：)(