CMOS 两级运放设计
模拟CMOS集成电路设计优质课程设计实验报告二级放大器的设计
模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器旳设计信息科学技术学院电子与科学技术系一、概述：运算放大器是一种能将两个输入电压之差放大并输出旳集成电路。
运算放大器是模拟电子技术中最常用旳电路，在某种限度上，可以把它当作一种类似于BJT 或FET 旳电子器件。
它是许多模拟系统和混合信号系统中旳重要构成部分。
它旳重要参数涉及：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、输入共模与差模范畴、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。
二、设计任务：设计一种二级运算放大器，使其满足下列设计指标：三、电路分析：1.电路构造：最基本旳二级运算放大器如下图所示，重要涉及四部分：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：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1构成。
PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地克制共模信号干扰；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旳偏置电流。
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.静态特性对第一级放大电路：构成差分对旳PM0和PM1完全对称，故有G m1=g mp0=g mp1 (1)第一级输出电阻R out1=r op1||r on1 (2)则第一级电压增益A1=G m1Rout1=g mp0,1(r op1||r on1) (3) 对第二级放大电路：电压增益A2=G m2R out2= -g mn2(r on2||r op3) (4) 故总旳直流开环电压增益A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5) 由于所有旳管子都工作在饱和区，因此对于gm我们可以用公式g m =D I L W )/(Cox 2μ (6) 进行计算；而电阻r o 可由下式计算 r o =DI 1λ (7)其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L 。
两级运算放大器设计文档-20150116
点，使补偿后的运放只有一个极点。这就要求：
fZ
1
2
CC
(
g
m
1 6
RZ
)
gm6
2 CL
RZ
CC CL gm6 CC
(b) 消去零点。即将零点移至无穷远处。这就要求
gm6Rz 1
(c) 将零点移到左半平面略大于 GBW 的位置。一般为 1.2 倍 GBW 处（why？）， 原因：1,2GBW 处的零点既不影响幅度特性，又能很好地贡献相位裕度。
=
������������ ������������
=
������������1 2������������������
=
������������1 ������������1
������������1
1 2������������������
（5）
B 相位补偿分析：
如图 1 电路，加入一个与 Cc 的串联电阻之后，电路的零点变为：
第六章 仿真
6.1 直流增益、带宽和相位裕度
结果说明
A1 A2 增益 3dB带宽 增益带宽积 相位裕度
16.64 20.8 50.8dB 4.2MHZ 1.88GHZ 62deg
仿真结果图示
6.2 偏置电路设计：
注：此电路没有做输入偏置，后续工作应做一个 342mv 的偏置供输入。
放大器 symbol 测试
W 502.392u 502.392u 155.416u 155.416u 342.083u 104.154u 849.32u 306.99u
5.4 计算&仿真参数
DC参数 Vout Vp Vgs1 Vgs2 id1 id2
cmos两级级联运算放大器电路
CMOS两阶段的级联操作放大器电路就像集成电路（IC）技术的超级
英雄。
由于其放大和冷却的金属—氧化—半导体（CMOS）技术的双重阶段，这个电路用高增益和增加带宽来打包一拳。
这就像瑞士军队
的刀模拟信号处理，准备应对任何挑战的方式。
无论是放大音频信
号还是在传感器中压缩数字这个电路都是你用来模拟一切的下一次
你需要信号助推，只要呼叫CMOS两级级级的操作放大器电路， IC
世界的无声英雄！
这个CMOS两阶段操作放大器的第一部分有几台晶体管，它们一起工作来提升输入信号，然后还有这个电流镜的东西可以帮助负载。
这个
第一阶段基本上为第二部分铺设了舞台。
第二阶段类似于encore，它能增加更多的收益，并有助于提升输出电压。
很酷的是，第一阶段的
输出只是直接插入第二阶段的输入，所以它就像这种双功率提升的配置。
CMOS两阶段的级联操作放大器电路具有重大优点，包括收益高、输
入阻力高以及铁路对铁路输出摇摆。
它适合需要大量扩展的应用程序，特别是在数据获取系统、传感器接口和音频信号处理领域。
电路的配
制和加强涉及仔细考虑晶体管的尺寸、偏差和计费技术，所有这些技
术都是为了达到所期望的性能指标。
两级CMOS运算放大器设计
从CC和GB的表达式来确定输入晶体管的跨导，可以用下面方程来计算跨导gm2
gm2 GB CC
从而可直接求得输入晶体管M2的宽长比
W L2
gm22 K2` I5
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两级CMOS运算放大器的设计步骤（3）
下面利用共模电压范围（低电平）计算M5的饱和电压：
VDS5 Vin(min)I51VT1(max) 若VDS5＜100mV，则可能会使(W/L)5过大，这是不可接受的。若VDS5＜0V，则 说明所确定的共模范围CMR的技术规范太严了。为此，我们可以减小I5或增加 (W/L)1。注意，应考虑条件改变后对前面设计步骤的影呐。这样反复迭代，直 到获得满意的结果。由求得的VDS5及(W/L)5为
↓1/2
↑1/2
↑
L
W/L
↑
↑1/2
M7 补偿电容 CC
L
↑
增大GB
↑1/2
↑1/2
↓
增大RHP零点
↑1/2
↑1/2
↓
增大SR
↑
↓
增大 CL
↑
在完成以上计算和设计后，可以采用Spice仿真软件进行仿真验证。
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四、两级运放的仿真和测试
仿真是对设计的细化和验证，对精度的提高，对 性能的优化，是一个主次逼近理想值的过程。
运放平衡时有：I5=I6=I7，因此可得：
W L7
WL5
I6 I5
最后检查运放的总增益和运放功耗：
AV I522g3m 2Ig6m 667
如果增益太低，许多参数还可再做调整。
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运放的性能与器件、电流之间的关系
漏极电流
M1和M2 M3和M4 M6
两级运放设计要点
两级运放设计要点引言：两级运放是电子电路中常用的一种放大电路，它由两级放大器级联而成。
本文将介绍两级运放的设计要点，并探讨其在电子电路中的应用。
一、两级运放的基本原理两级运放由两个放大器级联组成，第一级放大器称为输入级，第二级放大器称为输出级。
输入级负责将输入信号放大并将其传递给输出级进行进一步放大，最终得到输出信号。
1. 输入级的设计要点输入级的设计要点包括：（1）选择合适的输入级放大器。
根据需求选择合适的放大器类型，如共射放大器、共基放大器或共集放大器等，以满足电路的输入阻抗和放大倍数要求。
（2）确定合适的偏置电路。
为了确保输入级的工作点稳定，需要设计合适的偏置电路来提供适当的偏置电压。
（3）考虑输入阻抗和带宽的平衡。
输入级应具有足够高的输入阻抗以避免对信号源的负载影响，同时还应考虑输入级的带宽，以确保信号能够在整个频率范围内得到放大。
2. 输出级的设计要点输出级的设计要点包括：（1）选择合适的输出级放大器。
根据输出要求选择合适的输出级放大器类型，如共射放大器、共基放大器或共集放大器等，以满足输出阻抗和输出功率要求。
（2）确定适当的负载电阻。
根据输出级放大器的特性和负载要求，选择适当的负载电阻，以确保输出信号能够得到正确的匹配和传递。
（3）考虑输出阻抗和带宽的平衡。
输出级应具有足够低的输出阻抗以减小对负载的影响，并且还应考虑输出级的带宽，以确保信号能够在整个频率范围内得到放大。
二、两级运放的应用两级运放在电子电路中有广泛的应用，下面将介绍一些常见的应用场景。
1. 音频放大两级运放可以用于音频放大电路中，将低电平的音频信号放大到足够大的电平以驱动扬声器或耳机。
通过合适的输入级和输出级设计，可以实现音频信号的放大，并保持音质的清晰度和准确性。
2. 信号传感器放大在传感器应用中，两级运放可以用于放大传感器输出的微弱信号，以便进行后续的信号处理和分析。
通过适当的输入级和输出级设计，可以提高传感器信号的灵敏度和稳定性，从而提高系统的性能。
cmos运算放大器和比较器的设计及应用
cmos运算放大器和比较器的设计及应用CMOS运算放大器和比较器是集成电路中常见的两种功能模块，它们在电子设备中的应用非常广泛。
本文将介绍CMOS运算放大器和比较器的设计原理和应用。
我们先来了解一下CMOS运算放大器。
CMOS运算放大器是一种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的放大器，它采用了互补对称的MOS管结构，具有低功耗、高增益、高输入阻抗和良好的共模抑制能力等优点。
CMOS运算放大器通常由差分放大电路和输出级组成。
差分放大电路是CMOS运算放大器的核心部分，它由两个互补对称的差分对（Differential Pair）和负反馈电路组成。
差分放大电路的输入信号通过差分对进行放大，然后经过负反馈电路进行稳定和控制。
通过调整差分对的工作电流和电压偏置，可以实现不同的放大倍数和频率响应。
CMOS运算放大器的应用非常广泛，主要包括模拟信号放大、滤波器设计、电压比较器、ADC/DAC等。
在模拟信号放大方面，CMOS运算放大器可以用于音频放大器、视频放大器、传感器信号放大等。
在滤波器设计方面，CMOS运算放大器可以用于实现低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
在电压比较器方面，CMOS 运算放大器可以用于比较两个电压大小并输出高低电平信号。
在ADC/DAC方面，CMOS运算放大器可以用于模拟信号的采样和转换。
接下来，我们来了解一下CMOS比较器。
CMOS比较器是一种用于比较两个电压大小的电路，它的输出是一个数字信号，表示两个输入信号的大小关系。
CMOS比较器通常由差分放大电路和输出级组成。
差分放大电路是CMOS比较器的核心部分，它由两个互补对和负反馈电路组成。
差分放大电路的输入信号通过差分对进行放大，然后经过负反馈电路进行稳定和控制。
通过调整差分对的工作电流和电压偏置，可以实现不同的比较阈值和响应时间。
CMOS比较器的应用非常广泛，主要包括电压比较、模拟信号判别、开关控制等。
在电压比较方面，CMOS比较器可以用于比较两个电压的大小并输出高低电平信号。
CMOS两级运放设计解读
CMOS两级运放的设计1 设计指标在电源电压 0-5V,采用 0.5um 上华 CMOS 工艺。
完成以下指标：共模输入电压开环直流增益单位增益带宽相位裕度转换速率负载电容静态功耗电流共模抑制比PSRR固定在〔V DD V SS〕260dB30MHZ60deg ree30Vus3 pF1mA60dB60dB2 电路分析2.1 电路图2.2 电路原理分析两级运算放大器的电路结构如图 1.1 所示，偏置电路由理想电流源和 M8 组成。
M8 将电流源提供的电流转换为电压， M8 和 M5 组成电流镜， M5 将电压信号转换为电流信号。
输入级放大电路由 M1～ M5 组成。
M1 和 M2 组成 PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载，将差模电流恢复为差模电压。
； M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过 M1 ，2 的电流与流过 M3,4 的电流 Id1,2I d 3,4I d 5 / 2 。
输出级放大电路由 M6 、M7 组成。
M6 将差分电压信号转换为电流，而 M7 再将此电流信号转换为电压输出。
M6 为共源放大器， M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
相位补偿电路由 Cc 构成，构成密勒补偿。
3 性能指标分析3.1 直流分析由于第一级差分输入对管 M1和 M2相同，有第一级差分放大器的电压增益为：gm1Av1gds2gds4第二极共源放大器的电压增益为gm6Av2gds6gds7所以二级放大器的总的电压增益为A vgm1gm62g m2gm6A v1Av2gds4g ds6gds7I 5( 2 4)I 6( 6 7)gds23.2 频率特性分析设C1为第一级输出节点到地的总电容，有C1 C GD2 C DB 2 C GD 4 C DB4 C GS6 设C2表示第二级输出节点与地之间的总电容，有C 2 C DB6 C DB7 C GD7 C L一般，由于C L远大于晶体管电容，所以C2远大于C1 , 可以解出电路的传输函数为V 0 g m1 g m6 s C c R1R2V id as2 bs 1其中：C1C 2 C c C1 C 2 R1 R2ab C1R1 C 2R2 C c g m6 R1 R2 R1 R2可以得到右半平面零点为f zg m62C c 从而电路的主极点f d1g m 6R1 R2C c而次极点f nd gm 6 C L由于C2和C C远大于C1，而C1中最主要的局部为C GS6 , C2中那么以C L 为主，经过适当近似，可以得到单位增益带宽为GBW A0 fdg m1 2C c3.3 共模抑制比分析如果运放有差分输入和单端输出，小信号输出电压可以描述为差分和共模输入电压的方程V O A dm V id A cm V ic其中A dm是差模增益，有A dm A0，A cm是共模增益。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器探究与设计引言：随着科技的不息进步和应用的广泛推广，运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）作为一种重要的模拟电路器件，得到了广泛的关注和应用。
CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术由于其功耗低、集成度高等优势，被广泛应用于运算放大器的探究和设计中。
本文将介绍CMOS高性能运算放大器的探究与设计，主要包括运算放大器的基本原理、运算放大器的基本电路结构、CMOS技术的特点和优势、CMOS高性能运算放大器的设计方法和优化技术等方面。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一种特殊的差动放大器，它能够实现电压放大、电流放大、功率放大等功能。
运算放大器有两个输入端，一个非反相输入端和一个反相输入端；有一个输出端和一个电源端，电源端一般有正电源和负电源两个。
在抱负状况下，运算放大器具有无限的增益、无限的输入阻抗和零的输出阻抗。
但实际状况下，由于运算放大器的内部结构等因素的限制，无法完全满足抱负的条件。
因此，在运算放大器的设计中，需要思量如何提高增益、输入阻抗和输出阻抗等性能指标。
二、运算放大器的基本电路结构运算放大器的基本电路结构由差动放大器、电压放大器和输出级组成。
差动放大器用于实现输入信号的差分放大，电压放大器用于实现信号的放大，输出级用于驱动负载电阻。
差动放大器由两个晶体管组成，一个晶体管作为非反相输入端，另一个晶体管作为反相输入端。
通过调整两个晶体管的尺寸比例，可以实现不同的放大倍数。
电压放大器由级联的共源放大器组成，通过逐级放大，实现信号的放大。
输出级由差分放大器和输出级筛选电路组成，通过差分放大器将信号转化为可驱动负载电阻的电流信号，再经过输出级筛选电路，将电流信号转化为电压信号。
三、CMOS技术的特点和优势CMOS技术是一种基于金属-氧化物-半导体（MOS）结构的半导体制造技术。
与传统的bipolar技术相比，CMOS技术具有以下特点和优势：（1）功耗低：CMOS电路在静态状态下几乎不消耗电流，功耗分外低，适合于低功耗应用的场合。
一种CMOS二级密勒补偿运放的设计
一种CMOS二级密勒补偿运放的设计一个实际的运放电路包含很多极点，为了使运放可以正常工作必须对其进行频率补偿。
所谓“补偿”就是对运放的开环传输函数进行修正，这样就可以得到稳定的闭环电路，而且获得良好的时间响应性能。
两级运放的频率补偿存在一个问题。
我们的补偿原理是使其中一个主极点向原点靠拢，目的是使增益交点低于相位交点。
然而这样就需要一个很大的补偿电容。
大电容在集成电路中是很难制作而且不经济的。
实践证明，通过密勒效应可以以一个中等的电容器的值实现单独利用大电容才可以做到的补偿效果。
这种补偿方法就是“密勒补偿”。
一种CMOS 二级密勒补偿运放的设计，主要有第一级差分放大，第二级共源级放大，电流偏置电路以及密勒补偿电路四部分组成。
首先，手动计算各项参数，分析各项参数与性能之间的相互制约关系。
然后，利用电路EDA仿真软件对电路进行仿真，对参数进行一些微调以满足运放的设计指标。
因为数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在数字集成电路的设计中已经具有很高的自动化。
但是由于模拟电路设计的一些不确定性，一般来说，手工进行参数的预算是不能缺少的一个环节。
运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。
各种电路系统中都离不开运放：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。
运算放大器的设计基本上是分为两个部分。
第一是选择电路结构，第二是电路的各项参数的确定。
比如静态工作电流，每个管子的尺寸等参数。
这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。
很多参数的确定需要不断地权衡来满足性能。
该设计第二章分析电路的原理开始,第三章接着介绍对运放的各个指标做介绍和分析。
第四章以具体的指标要求为例，分析约束条件，进行手算。
之后使用HSPICE 进行电路仿真。
2电路分析2.1 电路结构选定的 COMS 二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 2.1 所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
折叠式共源共栅CMOS运算放大器的设计
折叠式共源共栅CMOS运算放大器的设计该电路由两级放大器组成，第一级为共源放大器，第二级为共栅放大器。
下面将详细介绍各个部分的设计步骤和注意事项。
1.设计共源放大器：共源放大器的设计旨在实现高电压增益、宽带宽和稳定的工作点。
主要的设计步骤如下：-根据所需的增益和带宽确定工作点的直流电压和电流。
一般而言，直流电压应足够大，以提供足够的电压增益；而直流电流应适中，以保持功耗的合理范围。
-选择合适的晶体管尺寸和W/L比例，以满足所需的增益和带宽要求。
通常情况下，尺寸越大，增益越高，但同时也会增加功耗。
-设计偏置电路，用以稳定工作点，并提供所需的电流。
常见的偏置电路包括电流镜和电流源。
2.设计共栅放大器：共栅放大器的设计目标是进一步提高增益和带宽，并提供合适的输出电压。
以下是一些重要的设计考虑因素：-通过选择适当的晶体管尺寸和W/L比例，以满足所需的功率增益和输出电压范围。
与共源放大器类似，通常情况下尺寸越大，输出电压范围越大。
-需要设计合适的负载电路，以提供合适的输出电压和输出电流。
常见的负载电路包括电流镜和电流源。
3.总体电路优化：在设计过程中，需要进行一系列的优化步骤，以满足设计要求。
以下是一些常见的优化技术：-频率补偿：通过选择合适的补偿电容和电阻，提高电路的带宽和稳定性。
-去耦电容：通过添加适当的去耦电容，提高电路的低频响应和直流工作点稳定性。
-噪声优化：通过减小晶体管尺寸、优化偏置电路等措施，减小电路的噪声。
综上所述，折叠式共源共栅CMOS运算放大器的设计需要考虑多个方面，包括增益、带宽、工作点、输出电压范围等。
通过合理选择晶体管尺寸和W/L比例、设计合适的负载电路和偏置电路，以及进行适当的优化，可以实现高性能的运算放大器设计。
最后，需要进行电路的仿真和验证，以确保设计的性能符合预期要求。
实验三 两级运放原理图设计及仿真
输出摆幅≥ ±1V;
失调≤ ±10mV; 噪声≤ 200(1kHz时);
参考电路1：
VDD M3 x iref vin1 M1 Vn Id5 M8 3 M5 M2 vin2 CL M7 y M4 M6
?唐长文菅洪彦通信系统混合信号vlsi设计全差分运算放大器设计课程设计报告设计全差分运算放大器设计课程设计报告
实验三 两级CMOS运放的原理图设计及仿真
实验目的：
掌握采用cadence实现模拟IC原理图设计的方法； 掌握集成运算放大器设计的参数估算方法； 掌握集成运算放大器主要参数的仿真方法；
实验报告： 描述设计仿真过程；
描述参数估算过程； 描述性能参数仿真过程及结果，并进行分析；
• 设计指标要求：
开环增益≥60dB; 单位增益带宽≥50MHz; 摆率(Slew Rate)≥ 5V/us; 相位裕度≥50 ICMR ≥ ±0.8V; CMRR ≥50dB; PSRR ≥50dB;
实验内容 采用传统的集成运放设计参数估算方法设 计运放； 完成原理图设计并仿真验证；
实验步骤：
根据设计指标，选择电路结构； 根据设计指标及电路结构，估算电路参数； 采用cadence进行电路参数仿真； DC仿真，检查电路工作状态； AC仿真考察幅频特性、相频特性等； 瞬态仿真，观察输入输出波形； 调整电路参数。 引入相位补偿网络，提高电路的稳定性； 设计优化。
• 参考过程：
(1)选取电路结构； (2)确定工作点：由功耗、增益等要求选取各支路的工作电流； 如参考电路2:
g m 2 Cox (W / L ) I DS / 2 1 1 ro go I DS
二级CMOS放大器的电路与版图设计
《IC设计实践》报告姓名：潘阿成学号：200881229院系：电子科学与技术学院专业：集成电路设计与集成系统2012年2月25日目录一、设计目标 (1)二、设计平台 (1)三、原理图设计 (1)1、电路结构与工作原理 (1)2、手工计算电路参数 (2)3、仿真、分析与参数调整 (6)4、电路参数仿真结果汇总 (14)四、版图设计 (15)1、版图层次及常用设计规则 (15)2、DRC验证与版图修改 (16)3、LVS验证与版图修改 (17)五、寄生参数提取与后仿真 (117)六、小结 (19)一、设计目标通过使用mentor软件设计一个两级运算放大器，并且使其满足以下指标，如表1所示。
电源电压VDD 5V 共模抑制比CMRR >60dB直流增益Av >60dB 电源抑制比PSRR >60dB 单位增益带宽GB >5MHz 负载电容CL 8pF输入共模范围ICMR 2~4.5V 沟道长L >0.5um输出摆率V out 2~4.8V 功耗P <2mW压摆率SR >10V/us表1 运算放大器设计指标二、设计平台mentor软件及华润上华工艺库0.5um P衬底N阱双多晶硅三层金属混合信号工艺。
三、原理图设计1、电路结构与工作原理电路结构如图1所示。
图1 二级运放电路结构该电路的组成与工作原理：图1中有多个电流镜结构，M5的电流在M1与M2组成的差分对中被平分，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，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。
2、手工计算电路参数本次实践使用的工艺是华润上华工艺库0.5um P 衬底N 阱双多晶硅三层金属混合信号工艺。
完整word版CMOS二级运算放大器设计
CMOS 级运算放大器设计（东南大学集成电路学院）一.运算放大器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以及功耗等。
二.设计目标1.电路结构最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 1.1所示。
主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
图1.1两级运放电路图2.电路描述电路由两级放大器组成，M1~M4构成有源负载的差分放大器，M5提供该放大器的工作电流。
M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。
M6提供给M7的工作电流。
M8~M13组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电流。
相位补偿电路由M14和Cc构成。
M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc 一起跨接在第二级输入输出之间，构成 RC密勒补偿。
3■设计指标两级运放的相关设计指标如表1。
三.电路设计第一级的电压增益:A l =G mi R, = g m2 (r o2 11 r o4) (3.1)第二级电压增益:A2 = -G m2R^ - g m6 (r o6 H r o7) (3.2) 所以直流开环电压增益:A o — Al A2 ~ —g m2 g m6 (r o2 || r o4 )( r o6 || r o7) (3.3)单位增益带宽:G B WA O f^-gm122 c (3.4)表1两级运放设计指标偏置电流:、2R C g m6 = (W/L)14Y (W 儿)131.2g m1以上公式推导过程简略，具体过程可参考相关专业书籍。
根据这些公式关系,2根据系统失调电压:转换速率:相位补偿:■KP n (W/L)i2R ； J (W/L) (W/L)12 1(3.5)(W/L)3 (W/L)4 1(W/L)5 (W/L)6(W/L)62(W/L)7SR = min *1DS5 1DS7 — 1DS5C cC L(3.6)(3.7)(W/L)6 ((W/L)11 _ g m6 +[(3.8)四.HSPICE 仿真.title test.lib E:\h05mixddst02v231.lib tt vdd vdd 0 5 vss vss 0 0.subckt opamp vn vp out vdd vss m1 2 vn 1 1 mp w=120u l=1u m2 3 vp 1 1 mp w=120u l=1u m3 2 2 vss vss mn w=40u l=1u m4 3 2 VSS vss mn w=40u l=1u m5 1 6 vdd vdd mp w=16u l=1u m6 out 3 vss vss mn w=160u l=1u m7 out 6 vdd vdd mp w=32u l=1u * bias circuit m8 6 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m9 7 6 vdd vdd mp w=3.2u l=1u m10 6 7 8 vss mn w=6u l=1u m11 7 7 9 vss mn w=6u l=1u m12 8 9 10 vss mn w=24u l=1u m13 9 9 vss vss mn w=6u l=1u rb 10 vss 6k* miller cc 4 out 1.5 p cl out vss 3pm14 4 7 3 vss mn w=20u l=1u .en dsx1 vn vp out vdd vss opamp x2 vp vpout1 vdd vss opamp x3 out2 vi out2 vdd vss opamp x4 vn vn out3 vdc vss opampx5 vn vn out4 vdd vsc opamp vp vp 0 dc 2.5 ac 1 vn vn 0 dc 2.5 vi vi 0 p ulse(2 3 20ns 0.1 ns 0.1 ns 200ns 400ns)根据已经计算好的器件参数,写成电路网表。
模拟集成电路课程设计.pdf
模拟集成电路课程设计CMOS两级运放设计一、摘要本课程设计要求完成一个两级运放的设计，采用设计工艺为CMOS的0.35um工艺技术，该工艺下器件可以等效为长沟道器件，在分析计算时可采用一级模型进行计算。
本次设计主要了对于共模输入电压等指标提出了要求，详见下表。
在正文中将就如何满足这些指标进行分析与讨论，并将计算结果利用cadence进行仿真，得出在0.35um工艺电路的工作情况。
二、电路分析课程设计的电路图如下：输入级（第一级）放大电路由M1-M5组成，其中M1与M2为NMOS差分输入对管，M3与M4为PMOS有源负载，M5为第一级提供恒定的偏置电流。
输出级（第二级）放大电路由M6、M7以及跨接在M6栅漏两端（即第二级电路输入与输出两端）的电容Cc组成，其中PMOS管M6为共源极接法，用于实现信号的放大，而M7与M5功能相同，为第二级提供恒定的偏置电流，同时M7还作为第二级的输出负载。
Cc将用于实现第二级电路的密勒补偿，改变Cc的值可以用于实现电路中主极点与非主极点分离等功能。
偏置电路由恒流源IB和以二极管形式连接的M8组成，其中M8与M5，M7形成电流镜，M5和M7为相应电路提供电流的大小由其与M8的宽长比的比值来决定。
三、设计指标本模块将根据设计要求的指标逐一进行分析：开环直流增益：考虑直流增益时忽略所有电容的影响，画小信号图如下：由小信号图可以得到电路中的直流增益为：A v =−g m1r 02,4g m6r o6,7式中r 02,4=r o2||r o4，r o6,7=r o6||r o7，考虑到差分输入对管的一致性，故(W/L)1=(W/L)2，从而g m1=g m2，故上述表达式中用g m1代为表示。
同时，考虑到下式：g m =2I (V gs −V th )以及表达式：r o =1λI =V E L I 从而可以将直流增益表达式表述为：A v =−4λn λn λp λp(V gs −V th )1(V gs −V th )6(λn +λp )2 同时可以将λ用V E L 替换，可以得出增益的大小在设计时只与MOS 管的过驱动电压和沟道长度有关，当过驱动电压确定时（一般选取0.2V ），则需要通过增加沟道长度L 来提高增益。
CMOS两级运算放大器设计
CMOS两级运算放大器设计CMOS（互补金属氧化物半导体）两级运算放大器是一种常用的放大器设计，可以用于信号放大、滤波、放大器链路等应用。
本文将对CMOS两级运算放大器的设计进行详细叙述。
首先，设计CMOS差动对。
差动对由两个MOSFETs组成，其中一个为p-MOSFET，另一个为n-MOSFET。
这两个MOSFETs的栅极交叉，源极相连，并接入一个电流源。
这样可以使输入信号以差分模式进入放大器。
然后，设计CMOS差动对的偏置电路。
偏置电路主要是为了使CMOS差动对能够正常工作。
其中，主要包括两个电流源和一个电流镜。
电流源为差动对提供恒定电流，电流镜用于分配输入级和输出级的电流。
通过适当选择偏置电流的大小，可以控制放大器的增益和输出幅度。
接下来，设计中间电压增益级。
增益级主要由两个共尺极级组成，通过增加电阻、电容等元件来实现电压放大。
增益级的输出连接到输出级的输入，将中间电压信号传递到输出级进行电流差分放大。
最后，设计输出级。
输出级主要由两个MOSFETs组成，其中一个为p-MOSFET，另一个为n-MOSFET。
这两个MOSFETs的栅极相连，并连接到输入级的输出。
通过适当控制输出级电压的变化，可以实现电流信号的放大。
在CMOS两级运算放大器的设计过程中，需要考虑的因素包括放大器的增益、带宽、输入输出阻抗、偏置电流等。
根据具体的应用需求，可以平衡这些因素来进行合适的设计。
在设计完成后，需要进行电路仿真和调试。
可以使用软件工具如Spice来进行电路模拟，并根据模拟结果进行调整和优化。
在实际测试中，可以通过改变输入信号的频率和幅度，观察输出信号的响应，并与设计要求进行对比。
总结起来，CMOS两级运算放大器设计是一个复杂的过程，需要考虑多个因素，并进行合适的优化。
通过合理的设计和调试，可以获得满足设计要求的放大器电路。
CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计说明
课程设计报告设计课题: CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计姓名: XXX专业: 集成电路设计与集成系统学号: 1115103004 日期 2015年1月17日指导教师: XXX 国立华侨大学信息科学与工程学院一：CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计1:电路结构最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图，主要包括四部分：第一级PMOS输入对管差分放大电路，第二级共源放大电路，偏置电路和相位补偿电路。
2：电路描述：输入级放大电路由M1~M5组成。
M1和M2组成PMOS差分输入对管，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3和M4为电流镜有源负载；M5为第一级放大电路提供恒定偏置电流。
输出级放大电路由M6和M7组成，M6为共源放大器，M7为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
偏置电路由M8~M13和Rb组成，这是一个共源共栅电流源，M8和M9宽长比相同。
M12和M13相比，源级加入了电阻Rb，组成微电流源，产生电流Ib。
对称的M11和M12构成共源共栅结构，减少了沟道长度调制效应造成的电流误差。
在提供偏置电流的同时，还为M14栅极提供偏置电压。
相位补偿电路由M14和Cc组成，M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。
3:两级运放主体电路设计由于第一级差分输入对管M1与M2相同，有R1表示第一级输出电阻，其值为则第一级的电压增益对第二级，有第二级的电压增益故总的直流开环电压增益为所以4：偏置电路设计偏置电路由 M8~M13 构成，其中包括两个故意失配的晶体管M12 和M13，电阻RB 串联在M12 的源极，它决定着偏置电流和gm12，所以一般为片外电阻以保证其精确稳定。
为了最大程度的降低M12 的沟道长度调制效应，采用了Cascode 连接的M10以及用与其匹配的二极管连接的M11 来提供M10 的偏置电压。
最后，由匹配的PMOS器件M8 和M9 构成的镜像电流源将电流IB 复制到M11 和M13，同时也为M5 和M7提供偏置。
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CMOS 两级运放的设计1设计指标在电源电压0-5V ,采用0.5um 上华CMOS 工艺。
完成以下指标：共模输入电压固定在（2DD SS V V +）开环直流增益 60dB ≥ 单位增益带宽 30MHZ ≥相位裕度 60deg ree ≥转换速率 30Vus≥负载电容 3pF ≡静态功耗电流 1mA ≤ 共模抑制比 60dB ≥ PSRR 60dB ≥2电路分析2.1 电路图2.2电路原理分析两级运算放大器的电路结构如图1.1所示，偏置电路由理想电流源和M8组成。
M8将电流源提供的电流转换为电压，M8和M5组成电流镜，M5将电压信号转换为电流信号。
输入级放大电路由 M1～M5 组成。
M1 和M2 组成PMOS 差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载，将差模电流恢复为差模电压。
；M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过M1，2的电流与流过M3,4的电流1,23,45/2d d d I I I ==。
输出级放大电路由M6、M7 组成。
M6 将差分电压信号转换为电流，而M7 再将此电流信号转换为电压输出。
M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
相位补偿电路由Cc 构成，构成密勒补偿。
3 性能指标分析3.1 直流分析由于第一级差分输入对管M1和M2相同，有 第一级差分放大器的电压增益为：1124m v ds ds g A g g -=+第二极共源放大器的电压增益为6267m v ds ds g A g g -=+所以二级放大器的总的电压增益为16261224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===++++3.2频率特性分析设1C 为第一级输出节点到地的总电容，有122446GD DB GD DB GS C CC C C C =++++设2C 表示第二级输出节点与地之间的总电容，有2677DB DB GD L C CC C C =+++一般，由于L C 远大于晶体管电容，所以2C 远大于1C , 可以解出电路的传输函数为()121621cm m ids as bs g g C R RV V-=++其中：()121212ca C C C C C R R ⎡⎤=++⎣⎦()121212126c m b gC C C R R R R R R=++++可以得到右半平面零点为62m zcg fCπ=从而电路的主极点1261dcm fg CR R =而次极点6m ndLg f C=由于2C 和C C 远大于1C ，而1C 中最主要的部分为6GS C , 2C 中则以L C 为主，经过适当近似，可以得到单位增益带宽为102m dcGBW gf A Cπ==3.3 共模抑制比分析如果运放有差分输入和单端输出，小信号输出电压可以描述为差分和共模输入电压的方程dm cm Oid ic VV V A A =+其中dm A 是差模增益，有0dm A A=，cm A 是共模增益。
共模抑制比的定义为dm cmCMRR AA=从应用角度考虑CMRR 可以理解为“每单位共模输入电压的变化引起的输入失调电压的变化”。
对于两级运放电路的共模抑制比，有5331533dm idcmidCMRR CMRR V V A V VV V AV V===其中，1CMRR 是第一级的共模抑制比，因为第二级是单端输入、单端输出，所以不贡献共模抑制比。
由源极负反馈增益可知，等效输入跨导m G 为:()115151212o m m o o o m g rG g r r r =++如果1512o o m grr ，那么m G 可以化简为：512m o G r =输出阻抗为:()35151331121out o o o o m m m g R rr r r g g⎡⎤=++≈⎣⎦ 所以共模增益为：5512cm out m o m G A R g r==得到：()524512dm o o o m m cmCMRR A gg r r r A==3.4转换速率（slew rate ）Slew Rate 也就是压摆率，是指大信号情况下运放的输入端接入较大的阶跃信号，输出信号波形也会发生大的变化，会发生截至或者饱和的现象。
输出电压变 化对时间的比值叫做压摆率，单位是Vus。
对于两级运放，当输入为大的正输入阶跃，2M 截止，5M 的电流流经1M 和3M ，电流镜使得4M 也流经同样的电流。
因为2M 截止，这个电流从C C 流过。
恒定电流5ds I流过C C 在其两端产生一个电压梯度，斜率为5ds CVtI C∆=∆。
如果7M 提供足够的电流给6M ，那么6GS V 保持恒定，4M的漏端电压不变，结果导致6M 的漏端 电压呈梯度上升。
对于大的负输入阶跃，1M、3M 和4M 截止，2M 导通，5M 的电流全部流经2M 并流过C C 。
由于7M 有足够的电流流过6M ，6GS V 保持恒定，即4M 的漏端电压不变，导致6M 的漏端电压有负向同样斜率的梯度。
压摆率SR 为5int DS CSR IC=对于负载电容L C 也要充放电。
对L C 放电不存在问题，因为当6M 过度驱动（6GS V 很大）时可以流经很大的电流。
但是当对L C 充电时，只能在有限的时间内实现，因为L C 是通过7M 进行充电的。
由于7M 有一部分电流5DS I 要留过C C ，所以只有75DS DS I I -的电流经过L C 。
这样一来，对于正的输入阶跃，4M的漏端电压会下降，也会减少流经6M 的电流。
电流75DS DS I I - 对L C 充电，导致一个正的电压梯度，斜率为75DS DS extLSR II C-=所以总的SR 是这两个中的最小值int min{,}ext SR SR SR =,得到575min{,}DS DS DS CLSR I I I C C-=为了测量转换速率，将运算放大器输出端与反相输入端相连，如下图所示，输出端接3pF 电容。
因为单位增益结构的反馈最大，从而导致最大的环路增益，所以能用做最坏情况测量，因此采用这种结构来测量转换速率。
V摆率的测量方法3.5 电源抑制比分析假设正电源和负电源的小信号变化分别为dd V 和ss V ，出于简化考虑0ic V =，那么输出小信号电压为O dm id dd ss V V V V A A A +-=++其中A+和A-分别是正电源和负电源到输出的小信号增益。
将上式改写为dd ssO dm dm id ddss id dmdm V PSRR PSRR V V A A V V V V A A AA+-+-⎛⎫⎛⎫=++=++ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭其中dm PSRR AA++=且 dm PSRR A A--=正电源抑制比PSRR +为差模增益除以正电源增益，负电源抑制比PSRR -为差模增益除以负电源增益。
电源抑制比应越高越好，以减小电源对输出的影响。
实际中，电源抑制比会随着频率的增加而下降。
因为在实际使用中的电源也含有纹波，在运算放大器的输出中引入很大的噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器的输出端的。
把从运放输入到输出的差模增益除以差模输入为0时电源纹波到输出的增益定义为运算放大器的电源抑制比，式中的vdd=0，vin=0指电压源和输入电压的交流小信号为0，而不是指它们的直流电平。
需要注意的是，电路仿真时，认为MOS 管都是完全一致的，没有考虑制造时MOS 管的失配情况，因此仿真得到的PSRR 都要比实际测量时好，因此在设计时要留有余量。
0===vin DDvdd V A A PSRRVdd电源抑制比的原理图4电路分析设计过程4.1确定米勒电容的大小相位裕量有：111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GBp p z ---Φ=±---=要求60°的相位裕量，假设RHP 零点高于10GB 以上11102tan ()tan ()tan (0.1)120v GBA p ---++=而：102tan ()24.3GBp -=所以2 2.2p GB≥即 622.2()m m Lc g g C C >由于要求60的相位裕量，所以626210()10m m m m c cg g g g C C >⇒>可得到2.20.22 2.210Lc L C C C PF >== 在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++本设计中负载是3PF ，考虑寄生电容存在，选取c C 的初值为1PF 。
4.2分配电流，确定各管的宽长比考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+ （4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++为了使静态功耗尽量的小，在电流偏置级加入的理想电流源为5uA 。
在(.SCS)工艺库文件中查找计算需要的参数:其中有：'ox C K μ=3.9ox o oxoxoxC ttεε== μ：是电子或空穴的迁移率oxC：单位面积栅氧化物电容 ox t ：栅氧厚度1408.85410Fcmε-=⨯自由空间介电常数oxε：二氧化硅介电常数根据以上的参数，手工计算所需要的参数：4' 1.3153.910o n n noxn oxnC Ktμμε-===⨯4'0.7143.910o p p poxp oxpC Ktμμε-===⨯（1）取8M 管的过驱动电压为0.1，根据饱和电流公式'212W I LK =∆得8'28251DS n I W L K ⎛⎫== ⎪⎝⎭∆（2）为了使其满足压摆率的要求，取5DS I 尽量大一些，我们最终取580DS uA I =,5M 和8M 构成电流镜，则5801W L ⎛⎫= ⎪⎝⎭。
（3）此时3,4M 和1,2M 的电流都为1,2,3,440DS uA I =。