CMOS两级运算放大器设计报告.docx
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CMOS两级运算放大器设计报告
CMOS两级运算放大器设计及仿真
实验报告
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一、运算放大器设计简介
运算放大器是许多模拟及数模混合信号系统中一个十分重要的局部。
各种不同复杂程度的运放被用来实现各种功能:
从直流偏置的产生到高速放大或滤波。
运算放大器的设计可分为两个步骤。
第一步是选择或搭建运放的根本构造,绘出电路构造草图。
确定好的电路构造不能轻易修改。
运算放大器的电路构造确定之后需要选择直流电流,手工设计管子尺寸,以及设计补偿电容等关键参数。
为了满足运放的交流和直流需要,所有管子必须设计出适宜尺寸。
在手工计算的根底上,运用CandenceVirtuoso电路设计软件进展图形绘制,参数赋值,仿真分析。
在分析仿真结果的根底上判断电路是否符合设计要求。
假设不符合,再回到手工计算,调试电路。
二、设计目标
电路参数要求:
(1)直流或低频时的小信号差模电压增益
Avd=4000V/V(72dB)
(2)增益带宽积
GBW=10MHz
(3)输入共模电压围
Vcm,min=0.4V,Vcm,max=1.5V
(4)输出电压摆幅
0.2V (5)相位裕度 PM=60 (6)负载电容 CL=1pF (7)电源电压 VDD=1.8V 使用CMOS-90nm工艺库。 三、电路设计 1.电路构造 最根本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的构造如以下列图所示。 主要包括四大局部: 第一级双端输入单端输出差分放大级、第二级共源放大级、直流偏置电路及密勒补偿电路。 2.电路描述 输入级放大电路由PM0、PM2、NM1、NM3组成,其中PM0与PM2组成电流源偏置电路,NM1与NM3组成差分放大电路,输入端分别为IN1和IN2,单端输出。 如以下列图所示。 输出级放大电路由PM1和NM4组成,其中PM1为共源放大级电路,NM4为电流源偏置电路。 如以下列图所示。 电流源偏置电路由NM0、NM2与NM4组成,其中NM0接偏置电流源,电流源电流为30uA。 如以下列图所示。 选取电源电压为1.8V。 共模输入电压设为500mV,差模输入电压设IN1、IN2为5uV交流小信号,方向相反。 如以下列图所示。 3.参数估计 第一级放大电路的电压增益: 第二级放大电路的电压增益: 两级放大电路总增益: 增益带宽积: 设置直流工作点: 对单个nmos管进展gm/Id、Id/w与Vgs图形仿真,如以下列图所示。 取gm/Id为10,Vgs为0.3V,可得差动放大级单边电路偏置电流为15uA。 根据镜像电流源的特性可设置Iref为30uA。 设置第二级共源放大级直流偏置电流为34.3uA。 宽长比计算如下: 偏置电路: NM04.5 NM24.5 NM45.15 差分放大电路: PM01.875 PM21.875 NM115 NM315 共源放大级: PM14.7 密勒补偿电路参数配置 Rc10K Cc3pF 四、仿真调试 测试环境搭建。 tran为扫频时间,设置输入信号频率为1KHz,因此tran值设置为10ms。 扫频围为1至100GHz。 并保存直流工作点信息。 如以下列图所示。 测试第一级差动放大级的放大倍数。 如以下列图所示。 放大倍数大约为250倍,红色线条为第一级输出。 相当于本征放大增益的平方。 测试两级放大电路的放大倍数。 如以下列图所示。 四条波形线分别为差动输出级、IN1、IN2、OUT。 便于观察放大倍数,将放大倍数及带宽截图如下。 放大倍数约为11000倍,带宽为1KHz。 因此增益带宽积大于10MHz。 相位与放大倍数的关系如以下列图所示。 在增益降为0dB的时候,相位降幅大约为110度,即相位裕度大约为70度。 五、实验结果 电路仿真参数: (1)直流或低频时的小信号差模电压增益 Avd=11000V/V(80dB) (2)增益带宽积 GBW=11MHz (3)输入共模电压 Vcm=0.5V (4)输出电压 1.3V (5)相位裕度 PM=70度 (6)负载电容 CL=1pF (7)电源电压 VDD=1.8V (8)密勒补偿电容及电阻 Rc=10K Cc=3pF 仿真参数满足设计要求。
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