全差分运放实验

两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真 (2)

1、软件的安装 (2)

1.1 Cadence orcad的安装 (2)

1.2 Hspice的安装 (2)

1.3Cosmos Scope的安装 (2)

2、实验要求 (2)

3、电路图手工计算 (3)

3.1 运放主结构计算 (3)

3.2 偏置电路 (5)

3.3 共模反馈电路 (7)

4、使用Orcad绘制电路图 (7)

5、电路仿真 (11)

6、仿真结果查看 (13)

7、其他性能参数的仿真 (15)

两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真

1、软件的安装

在该试验中要用到三个软件，分别为Cadence orcad（绘制电路图与网表提取工具），Hspice （电路仿真工具）和Cosmos Scope（仿真结果查看工具）。所有用到的软件安装程序均放在D盘EDA文件夹中。

1.1 Cadence orcad的安装

打开D盘中的\eda\OrCad9.23，点击Setup.exe，点击下一步，到输入Install Code步骤，打开Crack文件夹中的Install.tex文件，将Orcad Capture后面的码复制到Install Code里，然后点击下一步。直至安装完毕。

1.2 Hspice的安装

打开D盘eda\hspice_vA-2008.03，点击Hspice的安装程序进行安装，均点击下一步，直至安装结束。然后将该文件夹中的hspice2008.lic文件拷贝到C:\synopsys\Hspice_A-2008.03下。

右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量（如果只想让管理员用，则是administrator的用户变量）/新建/变量名lm_license_file 变量值就是license文件的路径，/hspice2008.lic，也就是变量值为C:\synopsys\Hspice_A-2008.03\hspice2008.lic 然后确定。

1.3Cosmos Scope的安装

打开D盘eda\cosmos2007\HSpice_CosmosScope_Z-2007.03-SP1_win，点击安装程序进行安装。

然后将eda\cosmos2007\hspice-license文件夹中的cosmos2007.dat文件拷贝到C:\synopsys\Z-2007.03-SP1文件加下。

右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量，点击刚才新建的变量，也就是lm_license_file，在先前输入的变量值后面，输入分号，然后输入C:\synopsys\Z-2007.03-SP1\cosmos2007.dat，也就是Hspice和Cosmos两者的变量值用分号隔开。

2、实验要求

在本实验中，要求所设计的运算放大器采用5V电源电压，负载电容为5pF，满足直流增益>80dB，单位增益带宽>20MHz，相位欲度大于60度，差分压摆率（slew rate）>100V/us。

3、电路图手工计算

该运放电路由运放主结构，偏置电路和共模反馈电路三部分组成。

3.1 运放主结构计算

图1 运放的主电路结构

首先，我们从CSMC 0.5um 工艺库文件中得到工艺参数：

6112.9910//n ox C F V S μ-=⨯，671.7710//p ox C F V S μ-=⨯，

,0.7231TH N V V =，,0.906TH p V V =-

1、确定Miller 补偿电容Cc

为了保证相位裕量有0

60,我们要求第二极点2p w 和零点z w 满足以下两个条件:

10z u w w ≥，91210m m p u C C g g w w C C ≥→

≥，912m m L C

g g

C C ≥。 则，0.20.21C L C C pF pF ≥=⨯5=，这里，我们取2C C pF =。 2、确定两级放大器中的工作电流

共模负反溃的输入端电流与差模输入端相同，因此输入级的工作电流

11

50/2502

DS C I SR C V us pf uA =

∙=∙= 由于有一些寄生电容，并尽可能提高设计性能，预留一些余量。可以取1200DS I uA =，则,13400DS I uA =。

输出级工作电流为，,11()8002

DS C L CMFB SR

I C C C uA =

++=。 同样，由于有一些寄生电容，预留一些余量取,11900DS I uA =。 3、计算放大管的跨导m g

根据全差分Slew Rate 要求，1111111

2333

1.522DS DS u DS u eff u DS C m eff I I w I w SR V w I C g V =⨯

===。

M1 管的有效电压，120.4253eff u

SR

V V w ==。 M1管的跨导31

11

20.94110/DS m eff I g A V V -=

=⨯。

121()()m W W

g L L

=→=。

（该处由同学自己计算） 根据第二极点是单位增益带宽的两倍，91222m m u L C

g g

p w C C =→=⨯。 M9 管的跨导31

92 4.70510/m m L C

g g C A V C -=⨯

⨯=⨯

99()m W

g L

=→ （该处由同学自己计算） 910(

)()W W L L =，M9 管的有效电压999

20.383DS eff m I

V V g ==。 4、电流源偏置管和Cascode 管的尺寸

假定电流源偏置管M13、M11、M12、M7 和M8，和Cascode 管M3-M6 的有效电压

0.3eff V V =，

这样可以计算出所有管子的尺寸参数。 假定130.3eff V V =，则13132

13

2(

)DS p ox eff I W

L C V μ=， （该处由同学自己计算） 1111111213

1313(

)19()()()24()DS DS W

I

W W W L W I L L L L ==→==，1112()()W W L L = （该处由同学自己

计算）

M11-M12 管子的有效电压，11120.3eff eff V V V ==。