清华07年的一份运算放大器的设计(非常详细)

清华大学微纳电子学系2007年7月7日运算放大器的设计《模拟集成电路分析与设计》大作业实验报告蒋明2004011189张诺2003011899目录一．设计指标.....................................................................................................4二．电路结构.....................................................................................................51．基本结构...................................................................................................52．扩展结构...................................................................................................7三．设计过程.....................................................................................................81．选择理由...................................................................................................82．手工计算...................................................................................................8四．仿真验证...................................................................................................121．基本结构.................................................................................................12I．直流工作点.......................................................................................12II．静态功耗........................................................................................13III．开环直流传输特性曲线......................................................................14IV．开环交流小信号增益曲线....................................................................16V．低频等效输入噪声..............................................................................17VI．单位增益缓冲器下的SR.....................................................................21VII．单位增益缓冲器下的建立时间.............................................................23VIII．带隙基准的温度特性曲线..................................................................262．扩展结构.................................................................................................28I．直流工作点.......................................................................................28II．静态功耗........................................................................................29III．开环直流传输特性曲线......................................................................30IV．开环交流小信号增益曲线....................................................................31V．低频等效输入噪声..............................................................................33VI．单位增益缓冲器下的SR.....................................................................35VII．单位增益缓冲器下的建立时间.............................................................37五．设计总结...................................................................................................391．性能分析.................................................................................................392．收获体会.................................................................................................41六．网单附录...................................................................................................421．基本结构.................................................................................................422．扩展结构.................................................................................................45一．设计指标实验要求设计带有偏置电路的两级运算放大器，并满足参数指标如下：工艺0.6μmCMOS电源电压3V运放结构差分输入、单端输出负载电容10pFGBW10MHz相位裕度60°共模输入电压范围1V输出电压范围rail-to-rail摆率10V/μs开环增益60dB表1二．电路结构1．基本结构基本结构采用了标准折叠式共源共栅放大电路和PTAT基准电流源，原理图绘制如下：1)运放电路图12)偏置电路M11M6Vb3M10M8innVb2M12inpCc0M9M3M7CLM5M13Vb1M2VSSVb4M1M4VDDout图23)恒温电流源电路图3VDDVb3M22ISVSSM14Vb1M21M20M19M18Vb4Vb2M17M15M16U5+-OUTM4M27Q3M24R1M23R3M25Q1M26R2M28Q2VSSVDD2．扩展结构为进一步提高电路性能，我们在标准电路结构上做了一点扩展，增加了自举电路以提高开环增益。原理图如下：图4M11U2+-OUTM6Vb3M10M8innU1+-OUTVb2M12inpCc0U3+-OUTM9M7M3CLVb2M5M13Vb1M2U4+-OUTVSSVb4M1M4Vb3VDDout三．设计过程1．选择理由我们最终选定的电路包括基本结构和扩展结构两套方案。基本运放结构采用了单端输出的折叠式共源共栅两级放大器，扩展结构在基本结构的基础上增加了自举电路部分，而偏置电路则均采用了PTAT带隙基准结构。选择的理由首先来自于实验要求的限制——带有偏置电路的两级运算放大器以及差分输入、单端输出的运放结构。这一限制就基本将运放结构确定下来了。考虑到设计指标对开环增益的要求，我们决定差分电路采用共源共栅结构，在扩展结构中又增加了自举电路部分以进一步提高开环增益。同时又由于共模输入范围要求比较大，遂采用折叠式差分结构。为增加电路稳定性，提高相位裕度，减小非主极点影响，电路中还进行了密勒电容的频率补偿。设计中将密勒电容接在第一级共栅输入端和第二级共源输出端之间，这样在反馈通路上存在一个共栅结构，消除了频率补偿原本因前馈通路而带来的零点。标准电流源为了减小电压源和温度等因素造成的工作点漂移，采用了PTAT带隙基准结构，并通过电流镜结构给运放提供偏置电流。简单分析一下所设计电路的优缺点：1)优点a.输入共模范围大。由于采用了PMOS折叠式差分输入结构，输入共模范围可以做到很大，甚至可以低于地电位VSS。b.输出摆幅大。第一级折叠式差分结构克服了套筒式结构的缺点，输出范围本身就已经可以很大。同时，有第二级放大结构的存在，输出范围可以进一步增大，以达到全摆幅输出。c.开环增益高。共源共栅结构的输出电阻很高，如果加上自举电路部分则更进一步提高了开环增益。同时又是两级放大，因此开环增益可以做到很高。d.稳定性好。虽然采用了差转单结构增加了一个镜像极点，但与同时带来的镜像零点共同作用使得其影响可以忽略。电路中采用了密勒补偿，提高了相位裕度，增加了电路稳定性。2)缺点a.功耗较大。折叠式差分结构由于增加了一条支路，电源输出电流要更多一些。同时第二级放大电路为配合频率补偿需要增加其跨导，这也在一定程度上增加了功耗。b.结构复杂度较高。相比于单级放大电路和简单差分结构，这里的电路结构较为复杂，所需的偏置电压也较多，设计起来需要考虑的因素也很多。2．手工计算1)获取工艺参数由于这里的手工计算仅提供初始值参考，进一步的精细化需要在仿真中完成，而且工艺参数往往是直流工作点的函数，因此这里直接从库文件中读出所需的参数以供下面的计算，并且忽略了所有的二级效应。20/cmVsoxtm0TVV2/KAVNMOS426.041.25×10-80.728117.7PMOS-192.001.3×10-8-1.02-51.0表22)设定基本参数设计过程中首先设定了密勒电容值2CCpF。为保证全摆幅输出，M13管的过驱动电压应该很小，因此令偏置电压400.20.92bTVVV，而其余偏置电压可粗略设定，通过改变相应管子的尺寸进行细调。这里设定1231.8,1.0,2.0bbbVVVVVV。3)确定运放偏置电流设计指标要求10/SRVs，考虑到9CISRC，并且为留有一定裕度，故令950IA。M10和M11两管作为电流源，其流过的电流应足以应付大幅度输入电压的要求，故这里令1011100IIuA。4)确定两级跨导值根据设计指标的要求10GBWMHz以及12mCgGBWC，考虑留有一定裕度，故令10.2