华中科技大学 IC课程设计实验报告(比例放大器设计)

华中科技大学

题目：比例放大器设计

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20XX年XX 月

摘要

在模拟电路中对放大器进行设计时，差分放大器由于能够实现两倍放大和能够很好的抑制共模噪声的优良性能而被广为应用。本文利用放大器的“虚短”“虚断”的特性对比例放大器的结构及放大器的构成和基本参数进行了设计，其中放大器采用差分放大结构。

关键词：比例放大器差分放大器一级结构二级结构

Abstract

When designing an amplifier, differential amplifiers,with its twice higher gain and its restrain to Common-mode disturbance,is more widely used than other kinds of amplifiers.In this report,we make use of the properties of “virtual short cicuit” and “virtual disconnection” a nd design the structure and parameters of the whole circuit as well as the structure of the amplifier.

Key W ords：Proportion amplifier Differential amplifiers Level 1 Level 2

目录

摘要........................................................ I ABSTRACT .....................................................ⅠII 1 题目要求 (1)

2 设计过程 (2)

2.1 基本结构及分析 (2)

2.1.1 外围电路分析 (2)

2.1.2 运算放大器选择 (3)

2.2 工艺参数提取 (3)

2.3 理论推导与计算 (5)

2.4 仿真 (6)

2.5 二级密勒补偿运算放大器 (10)

2.6 仿真结果 (13)

2.7 综合仿真 (17)

3 结果分析与结论 (22)

4 心得体会 (23)

致谢 (25)

参考文献 (26)

附录 (27)

1 题目要求

设计一个比例放大器，参考电路如下：

要求：

（1） 自行设计放大器的结构与MOS 尺寸参数、电阻R1、R2的阻值，以达到相关

性能指标；（基于0.35um COMS 工艺，MOS 管长度均设定为Lmin=1um ）

（2） 用HSPICE 软件仿真电路。

（3）电路性能指标满足如下要求：

①0.3cos()0.7in V t ω=+ :1:10i n o u t

V V =；

②相位裕度 [45度~65度]； ③输入信号频率 100in f M Hz ≥； ④输出电流10out I m A =

2 设计过程

2.1 基本结构及分析 2.1.1.外围电路分析

指标要求中隐含了增益要大于10倍，带宽大于100MHZ ，暂时不考虑相位裕度。

如图结构来说，根据放大器的“虚短”、“虚断”特性，可以列出如下等式：

1

2R V i n

V o u t R V i n -= 根据题目要求：

Vin:V out=1:10 因此，有：

R1=9R2 又：

Iout=Vin/R2=10mA,Vin=1+0.1cos(wt) 得：

Ω=1002R Ω=9001R

另外，信号中包含1V 直流电压，相当于为放大器提供了直流偏置且V o=10Vin=1v ，取工作电压为单电源3v

外围电路设计至此结束，现在进行放大器内部设计。

2.1.2运算放大器选型

由于输入信号的特点，其中同时包含了直流与交流电压，考虑到信号噪声以及直流电压波动，使用差分放大电路能对共模输入起到很好的抑制作用，因此本设计选用差分放大电路。由于差分放大电路增益并不算高，实际中多采用Pmos有源负载以提高增益。在这里，我们选用以电流镜为负载的差分放大器实现所要求的运算放大器。电路如图所示：

VDD

NMOS器件M1 和M2 作为差分对管，PMOS器件M4，M5 组成电流源负载。电流Io提供差分放大器的偏置电流。其中M1、M2参数全同，M3、M4参数全同。，设所有管子都工作在饱和区，如果Vgs1=Vgs2，由对称性，Id1=Id2=Id3=Id4。

差分放大电路的输入输出有许多组合，本设计仅采用双端输入单端输出，因而本文仅对这种情况简要介绍。

当从Vi1输入差模信号，Vi2=0（交流小信号），设Vgs1增大，则相应Id1变大，Id2变小，输出电压V o=Id2*Ro；当输入共模信号，Vgs1恒等于Vgs2，则Id2不变，输出电压也不变。这样就相当于差模输入放大，而共模输入抑制。

下面对具体参数进行设计。

2.2 工艺参数提取

重要工艺参数并没有在本设计使用的0.35um工艺库中直接提供，需要提取。工

由0ox

ox ox

C t εε=

K=0.5μCox

得200,44==N P K K

为求λ值，需要对单个MOS 管进行输出特性仿真。 仿真电路如下：

得到如下曲线 由 2

2

()

(1)()(1)2ox gs th D ds gs th ds C W V V W I V K

V V V L

L

λλμ-=

+=-+

λ