1、 模拟模拟 CMOS 集成电路设计课程设计报告集成电路设计课程设计报告 -二级运算放大器的设计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信息科学技术学院电子与科学技术系 一、概述：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
2、 以及 功耗等。 二、设计任务：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 40dB 3dB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 6070 度 功耗 无要求 三、电路分析：三、电路分析： 1.电电路结构：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：电路描述： 输入级放大电路由 PM2、PM0、PM1 和 NM0、NM1
3、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
4、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
5、以对于 gm 我们可以用公式 gm= D ILW)/(Cox2 (6) 进行计算； 而电阻 ro可由下式计算 ro= D I 1 (7) 其中为沟道长度调制系数且1/L。 4.频率特性频率特性 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： 0)(CG 2021 1 2 1 oiiout out i idm VVsVsC R V V （10） 0)(G 202o u t 2 22 ioo o u t o
6、 im VVsCVsC R V V （11） 联立（10） 、 （11）消去中间变量 Vi2得电路的传递函数为 1 )( 2 21021 bsas RRsCGG V V outoutmm id o （12） 其中 a=Cout1Cout2+C0(Cout1+Cout2)Rout1Rout2 b=Cout1Rout1+Cout2Rout2+C0(Gm2Rout1Rout2+Rout1+Rout2) (13) 由式（12）可得零点 0 2 0 2 22C g C G f mnm Z （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
