CMOS两级运算放大器_设计报告材料
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着集成电路技术的飞速发展，CMOS（互补金属氧化物半导体）高性能运算放大器在电子系统中的应用越来越广泛。
其高精度、低噪声、低功耗等特性使得它在信号处理、数据采集、通信等领域发挥着重要作用。
因此，对CMOS高性能运算放大器的研究与设计具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、CMOS运算放大器的基本原理CMOS运算放大器是一种基于CMOS工艺的放大器，其基本原理是利用CMOS管的电压控制电流特性，将输入信号进行放大并输出。
CMOS运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声、低失真等优点，因此在各种电路中得到了广泛应用。
三、高性能CMOS运算放大器的设计要求高性能CMOS运算放大器的设计要求主要包括以下几个方面：1. 高增益：放大器应具有较高的增益，以保证信号的放大效果。
2. 低噪声：放大器的噪声应尽可能低，以保证信号的信噪比。
3. 高精度：放大器的精度应满足应用需求，以保证信号的准确性。
4. 低功耗：在保证性能的前提下，应尽可能降低功耗，以延长电池寿命或减少散热需求。
5. 稳定性：放大器应具有良好的稳定性，以避免自激振荡等问题。
四、CMOS高性能运算放大器的设计方法CMOS高性能运算放大器的设计方法主要包括以下几个方面：1. 选择合适的CMOS工艺：根据应用需求选择合适的CMOS 工艺，以保证器件的性能和可靠性。
2. 设计合理的电路结构：根据设计要求，设计合理的电路结构，包括输入级、输出级、中间级等。
3. 优化电路参数：通过优化电路参数，如增益、带宽、相位裕度等，以提高放大器的性能。
4. 采用低噪声设计技术：采用低噪声设计技术，如噪声匹配、噪声整形等，以降低放大器的噪声。
5. 仿真与测试：通过仿真与测试，验证设计方案的正确性和可行性。
五、CMOS高性能运算放大器的实例设计以一款二阶CMOS运算放大器为例，介绍其设计过程。
首先，根据应用需求确定放大器的性能指标，如增益、带宽、噪声等。
两级运算放大器的版图设计(版图设计实验报告)
版图设计实验报告一、实验名称：两级运算放大器的版图设计二、实验目的：1、掌握模拟CMOS集成电路的设计方法2、掌握模拟CMOS集成电路的版图设计方法三、实验要求：1、设计对象为单端输出的两级运算放大器电路，其性能为：（1）、负载电容为CL=15pf，负载电阻为RL=100K欧；（2）、电源VDD=5V；（3）、增益带宽积CBW大于40MHZ；（4）、增益AVO大于80DB；（5）、相位裕都PM大于65；（6）、输入摆幅大于3V，输出摆幅尽量大；2、查阅相关资料，学习模拟CMOS集成电路版图的设计技巧3、完成两级运算放大器的版图设计，注意版图的对称性和隔离的设计，完成版图的DRC 验证；4、要求设计的版图满足电路的功耗，性能，功能，面积合理，美观。
四、设计对象仿真后MOS管的宽长比如下图：备注：电阻：R1为180欧电容：C1为2.62pf五、实验步骤1、观察模型文件（.SCS文件）或通过对CMOS管点单电路的DC分析并查看MOS管的直流工作点参数，得到PMOS，NMOS的基工艺参数（TOX，Cox，VthN，VthP等）2、确定具体的设计方案3、在schematic中画出电路图4、开始设计电路的版图5、修改版图，使之通过DRC验证6、优化版图使面积合理、美观六、实验结果面积：120*180=22680（um）七、实验心得第二次做版图设计，相较上次的实习难度提升了些许，最关键的是即将步入工作的我们重拾了那些被淡化和遗忘的知识，重新刷新脑子，和团队紧密合作，细致的分工，相互的监督和检验，我们一步步的完成脑中的想法，在有限的时间内完成老师的作业，这让我们感觉就是在工作间里。
然而每一步的前进总是让我们明白我们的不足和问题，知识的模糊，对版图设计的有限了解，粗糙的设计，迟钝的软件操作，这些都让我们反思了很久也想了很多，无论如何，经过了再一次的版图设计，我还是能够感到自己的进步，无论是对知识的理解还是对学习知识的渴求，而后者让我感到格外珍贵。
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着电子技术的飞速发展，运算放大器（Op-Amp）在信号处理和数据分析中的应用越来越广泛。
在众多类型的运算放大器中，CMOS（互补金属氧化物半导体）高性能运算放大器因其低功耗、高速度和高精度的特性而备受关注。
本文旨在研究并设计一款CMOS高性能运算放大器，以适应现代电子系统的需求。
二、CMOS运算放大器的基本原理与特点CMOS运算放大器利用互补金属氧化物半导体技术，通过P 型和N型晶体管的组合，实现高精度、低噪声和低功耗的信号处理。
其基本原理是通过差分输入和共源共栅放大的方式，实现信号的放大和传输。
CMOS运算放大器具有以下特点：1. 高精度：由于采用差分输入方式，CMOS运算放大器具有较高的共模抑制比（CMRR），能够有效抑制共模噪声。
2. 低噪声：CMOS器件的噪声性能优异，能够满足低噪声信号处理的需求。
3. 低功耗：CMOS器件具有较低的电压摆幅和较低的静态电流，从而实现低功耗设计。
三、高性能CMOS运算放大器的设计要求为了满足现代电子系统的需求，高性能CMOS运算放大器的设计应遵循以下要求：1. 宽动态范围：能够处理大信号输入范围，并保持较高的增益和精度。
2. 高带宽：具备较快的响应速度，以适应高速信号处理的需求。
3. 低噪声：在保持高增益的同时，尽可能降低噪声性能，提高信噪比。
4. 低功耗：在保证性能的前提下，尽可能降低功耗，延长电池使用寿命。
四、CMOS高性能运算放大器的设计方法针对上述设计要求，本文提出以下设计方法：1. 优化电路结构：采用差分输入、共源共栅放大的电路结构，提高电路的对称性和稳定性。
同时，通过优化晶体管尺寸和偏置电流，提高电路的增益和带宽。
2. 降低噪声性能：通过优化电路布局、减小晶体管失配以及采用低噪声器件等方法，降低电路的噪声性能。
3. 降低功耗：采用低电压摆幅和低静态电流的设计方法，降低电路的功耗。
同时，通过优化偏置电路和电源管理策略，进一步提高功耗性能。
7两级CMOS运算放大器设计分析
1 RII C II
西安电子科技大学
有补偿两级运放的小信号模型
相位裕度（Phase Margin）
失调电压（Offset Voltage） 建立时间（Setting Time）
45< PM< 75
VOS<20mV TSET<1us
电源抑制比（PSRR）
共模抑制比（CMRR）
>60dB
>60dB
输出电压摆幅（Output Voltage Swing） >1.5V（Rail-to-Rail：0~3.3V）
11
西安电子科技大学
两级CMOS运放的稳定性分析
也就是说，稳定性是由单位开环增益的相位值决定的，即由相位裕度决定。 所以系统稳定性的重要体现就是运放的相位裕度较大，一般运放的相位裕度 要求在60o左右。
12
西安电子科技大学
无补偿两级运放的小信号模型
无补偿运放的二阶模型，为使结果通用，用角标I表示第一级的元件，角标II代
芯片面积（Silicon Die Area）
6
西安电子科技大学
两级CMOS运算放大器的基本结构
（a） 无补偿运放
（b）有补偿运放
M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等; 两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极 点，因而降低了运放的相位裕度; 为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第二级之间中加入 补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过
导与输出阻抗的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益 ；
共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路 的输出摆幅 ；
19_两级CMOS运算放大器的设计与spectrum仿真
LAB2 两级 CMOS 运算放大器的设计V DDirefM3 M4 M6xycvout vin1M1M2Vnvin2C LM7M8M53I d5一：基本目的：V SS图 1 两级 CMOS 运算放大器参考《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例 6.3-1 设计一种 CMOS 两级放大器，满足下列指标：A v = 5000V /V (74db )GB = 5MHzV out 范围=± 2VV DD = 2.5V C L = 10 pF ICMR = -1 ~ 2VV SS = -2.5V SR > 10V / μs P diss ≤ 2mW相位裕度： 60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被克制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。
在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。
要想得到大的增益我们能够采用共源共栅构造来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅构造中堆叠的 MOS 管不可避免地减少了输出电压的范畴。
由于多一层管子就要最少多增加一种管子的过驱动电压。
这样在共源共栅构造的增益与输出电压范畴相矛盾。
为了缓和这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。
如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而构成，而大的输出电压范畴靠第二级这个共源放大器来获得。
C表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性二：两级放大电路的电路分析：图1 中有多个电流镜构造，M5,M8 构成电流镜，流过M1 的电流与流过M2 电流Id1,2 =Id 3,4=Id 5/ 2 ，同时M3，M4 构成电流镜构造，如果M3 和M4 管对称，那么相似的构造使得在x，y 两点的电压在Vin 的共模输入范畴内不随着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 为引入的米勒赔偿电容。
表 2 0.5 μm 工艺库提供的模型参数p 1 p 2 z 1N P表 3 某些惯用的物理常数运用表 2、表 3 中的参数C OX = εox / t oxK ' = μ0C ox计算得到K ' ≅ 110μA / V 2K ' ≅ 62μA / V 2第一级差分放大器的电压增益为：A v 1 =第二极共源放大器的电压增益为-g m 1g ds 2 + gds 4（1）A v 2 =因此二级放大器的总的电压增益为-gm 6 g ds 6 + gds 7（2）A = A A =g m 1 g m 6=2g m 2 g m 6（3）v v 1 v 2 g + gg + gI (λ + λ)I (λ + λ)相位裕量有ds 2ds 4ds 6ds 7524667Φ = ±180 - tan -1(GB ) - tan -1(GB ) - tan -1(GB) = 60 Mp 2p 2v 1规定 60°的相位裕量，假设 RHP 零点高于 10GB 以上tan -1( A ) + tan -1(GB) + tan -1(0.1) = 1200tan -1(GB) = 24.30因此 p 2 ≥ 2.2GB即g m 6> 2.2( g m 2 ) C L C c由于规定60o 的相位裕量，因此g m 6> 10( gm 2 ) ⇒ g C c C c> 10g m 2可得到C c> 2.2C L10 = 0.22C L =2.2pF因此由赔偿电容最小值 2.2pF ，为了获得足够的相位裕量我们能够选定 Cc=3pF考虑共模输入范畴：在最大输入状况下，考虑 M1 处在饱和区，有V DD -V SG 3 -V n ≥ V IC (max) -V n -V TN 1 ⇒ V IC (max) ≤ V DD -V SG 3 + V TN 1在最小输入状况下，考虑 M5 处在饱和区，有V IC (min) -V SS -V GS 1 ≥ V Dsat 5 ⇒ V IC (min) ≤ V SS + V GS 1 + V Dsat 5（4）（5）而电路的某些基本指标有p 1 = -g m 1 A v C C（6）p = -g m 6 2C（7）Lz = g m 6 C C（8）GB =g m 1C C（9）CMR:正的 CMRV （最大）=V - V (最大) + V(最小)(10)inDDT 3 T 1负的 CMR V （最小）=V ++ V (最大) + V(饱和)(12)inSST 1 DS 5GB 是单位增益带宽 P1 是 3DB 带宽 GB= A v ⋅ p 1m 6W I 5 由电路的压摆率 SR =I d 5 得到C CI d 5 =(3*10-12)()10*106)=30μ A(为了一定的裕度， 我们取 iref I d 1,2 = I d 3,4 = I d 5 / 2 = 20μA下面用 ICMR 的规定计算(W/L)3= 40μA 。
CMOS 两级运算放大器设计
1 1+ gm6 ro6 || ro7
=
λn + λp
2
I DS1,2
Cc
Cc
单位增益带宽为
I DS 6,7
2KPn (W
L) 6
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CMOS 两级运放设计
宫志超
ϖ0
=
Avϖ
p1
=
1 Cc
2I
DS1,2 KPp
⎛ ⎜⎝
W L
⎞ ⎟⎠1,2
=
gm1,2 Cc
3.2.5 传输函数 下面计算第二级的传输函数，如图 8 所示，是第二级的等效电路，传输函数为
3.1 直流分析
3.1.1 直流功耗
( ) ( ) 令 IDS8 = IDS9 = IB ， P = VDD IDS8 + IDS9 + IDS5 + IDS 7 = VDD 2IB + 2IDS1,2 + IDS 6,7
3.1.2 偏置电流
图 2 计算偏置电流等效电路
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CMOS 两级运放设计
( ) Vout2
= −Δv 1 1 + 2gm1,2ro5
gm1,2 gm3,4
gm6
ro6 || ro7
，若过载电压都相等，则可整理得
Vout 2
=
−Δv
λp λn + λp
设Vo+ut 为正电源变化引起得总输出变化，可得Vo+ut = Vout1 + Vout2 = 0 ，因此正电源抑制比为 ∞。
定输出点直流电平。
VGS 3 = VGS 4 = VGS 6 → Vov3 = Vov4 = Vov6
CMOS两级运算放大器-设计分析报告
CMOS两级运算放大器-设计报告————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：CMOS两级运算放大器设计及仿真实验报告班级：学号：姓名：日期：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部分。
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基本结构，绘出电路结构草图。
确定好的电路结构不能轻易修改。
运算放大器的电路结构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合适尺寸。
在手工计算的基础上，运用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。
在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。
若不符合，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)输入共模电压范围Vcm,min = 0.4V，Vcm,max = 1.5V(4)输出电压摆幅0.2V < Vout < 1.5V(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所示。
主要包括四大部分：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。
如下图所示。
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。
(完整word版)CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计
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XXX师：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。
CMOS两级运算放大器设计报告
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班级：学号：姓名：日期：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部分。
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基本结构，绘出电路结构草图。
确定好的电路结构不能轻易修改。
运算放大器的电路结构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合适尺寸。
在手工计算的基础上，运用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。
在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。
若不符合，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)输入共模电压范围Vcm,min = 0.4V，Vcm,max = 1.5V(4)输出电压摆幅0.2V < Vout < 1.5V(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所示。
主要包括四大部分：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。
如下图所示。
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。
如下图所示。
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。
《CMOS》Project报告参考模板
《CMOS模拟集成电路设计》---项目设计CMOS模拟二级运算放大器设计一.项目需求分析与方案论证运算放大器，简称运放，是模拟电路中最为通用和基础的模块。
运放一般由几部分构成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。
单级放大器中由输出管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级放大电路增益被抑制在放大管的跨导与输出阻抗的乘积。
在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的，为了缓解这种矛盾引进了两级运放，两级运放可以同时实现高增益和较大的输出摆幅。
在两级运放中将这两点各在不同级实现。
本项目运用的是二级运放来实现，其中大的增益靠第一级与第二级的级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级共源放大器来实现。
表1 设计目标和性能参数要求本项目选用的是LEVEL 1 SPICE参数模型本项目所使用二级放大器电路图如下：VDD图1 二级放大器电路图其中输入级放大电路由 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；M5 为第一级提供恒定偏置电流。
输出级放大电路由M6、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，相位补偿电路由Cc 构成，电容Cc 接在第二级输入输出之间，构成密勒补偿。
二. 项目详细设计1、 静态分析分别分析M1-M8 管：1）对M1、M2 管有：min .CM in V V =时，M1 管也必须工作在饱和区（对一个MOS 管， 它处于饱和工作区的电压条件是：T gs ds V V V -≥ 从而可以推出以下不等式条件SS Tp CM OX n V V V W C I I --≤min ,3312μ2）对M3、M4 管，因为M3 的G 、D 端互连，保证了M3 管永远工作在饱和区中。
而M4 管和M3 管完全对称，而且电流相等，从而也就保证了M4 管工作在饱和 区中。
3）对M5 管：分析可知，若5d V 太大，则5sd V 减小，则M5 管将落入线性工作区。
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着微电子技术的快速发展，CMOS（互补金属氧化物半导体）技术已成为现代集成电路设计的主流技术。
运算放大器（Op-Amp）作为电子系统中的关键组件，其性能的优劣直接影响到整个系统的性能。
因此，对CMOS高性能运算放大器的研究与设计具有重要的实际应用价值。
本文将重点研究CMOS高性能运算放大器的设计原理、性能优化以及实际应用。
二、CMOS运算放大器的基本原理CMOS运算放大器是一种利用CMOS工艺制造的模拟电路器件，具有高精度、低噪声、低功耗等优点。
其基本原理是通过差分输入、差分输出以及电压增益等方式实现信号的放大和处理。
CMOS运算放大器的核心部分是差分对管和反馈网络，通过合理的电路设计和参数优化，可以实现高性能的运算放大器。
三、CMOS高性能运算放大器的设计1. 电路结构设计：CMOS高性能运算放大器的电路结构设计是关键。
在设计中，需要考虑差分对管的匹配性、反馈网络的稳定性以及噪声的抑制等因素。
常用的电路结构包括折叠式共源共栅结构、套筒式结构等。
这些结构在实现高电压增益的同时，还需要考虑功耗、噪声等性能指标的优化。
2. 参数优化：在CMOS高性能运算放大器的设计中，参数优化是必不可少的环节。
通过对差分对管的尺寸、偏置电流、反馈网络的电阻值等参数进行优化，可以提高运算放大器的性能。
此外，还需要考虑电路的匹配性、温度稳定性等因素，以确保运算放大器在不同条件下的性能稳定性。
3. 工艺选择：CMOS工艺的选择对运算放大器的性能有着重要影响。
在设计中，需要根据实际需求选择合适的工艺，如特征尺寸、阈值电压等。
同时，还需要考虑工艺的成熟度、生产成本等因素。
四、性能优化1. 增益与带宽：为了提高CMOS高性能运算放大器的性能，需要优化其增益和带宽。
通过合理的电路设计和参数优化，可以提高运算放大器的增益，同时保证足够的带宽以满足实际应用需求。
2. 噪声抑制：噪声是影响CMOS运算放大器性能的重要因素之一。
CMOS二年级运算放大器设计
C M O S二年级运算放大器设计Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998CMOS二级运算放大器设计（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。
表1 两级运放设计指标三．电路设计第一级的电压增益：)||(422111o o m m r r g R G A ==第二级电压增益：)||(766222o o m m r r g R G A =-= 所以直流开环电压增益：)||)(||(76426221o o o o m m o r r r r g g A A A -==单位增益带宽：cm O C g A GBW π2f 1d == 偏置电流：213122121)/()/()/(2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=L W L W R L W KP I B n B 根据系统失调电压：756463)/()/(21)/()/()/()/(L W L W L W L W L W L W ==转换速率：⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=L DS DS C DS C I I C I SR 575,min相位补偿：12.1)/()/()/()/(1613111466+==m m m C g g L W L W L W L W g R以上公式推导过程简略，具体过程可参考相关专业书籍。
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。
CMOS两级运放设计解读
I I I SR min{ DS5 , DS7
DS 5}
CC
CL
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，
7 有一部分电流 DS5 要留
C I I C 过 ，所以只有
的电流经过 。这样一来，对于正的输入阶跃，
C
DS 7
DS 5
L
M M I I C 4 的漏端电压会下降， 也会减少流经
6 的电流。 电流 DS 7
DS5 对 L 充
电，导致一个正的电压梯度，斜率为
SRext
I I DS7
DS 5
CL
所以总的 SR 是这两个中的最小值 SR min{ SRint , SRext} , 得到
2.1 电路图
2 电路分析
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 I d1,2 I d 3,4 I d5 / 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。
ds5
。如果
C
7 提供足够的电流给
CMOS两级运放设计
CMOS两级运放设计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（）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PSRR2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。
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：第二极共源放大器的电压增益为所以二级放大器的总的电压增益为 3.2频率特性分析设为第一级输出节点到地的总电容，有设表示第二级输出节点与地之间的总电容，有一般，由于远大于晶体管电容，所以远大于,可以解出电路的传输函数为其中：可以得到右半平面零点为从而电路的主极点而次极点由于和远大于，而中最主要的部分为,中则以为主，经过适当近似，可以得到单位增益带宽为 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其中是差模增益，有，是共模增益。
共模抑制比的定义为从应用角度考虑可以理解为“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，有其中，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。
模拟CMOS集成电路设计课程设计实验报告（二级放大器的设计）
模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器的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40dB3dB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60~70度功耗无要求三、电路分析：1.电路结构：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：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1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：构成差分对的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) 故总的直流开环电压增益A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5)由于所有的管子都工作在饱和区，所以对于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CMOS运算放大器的前仿,版图及后仿
两级CMOS运算放大器的设计
• • • • • 两级CMOS运算放大器的前仿 两级CMOS运算放大器的版图 两级CMOS运算放大器的后仿 存在的问题 心得体会
两级CMOS运算放大器的前仿
表1 设计要求
V DD V SS
2.5V
CL
V o u t IC M R
SR
Pd is s
图12 前仿网表
两级CMOS运算放大器的后仿
图13 后仿网表
两级CMOS运算放大器的后仿
• 用HSPICE进行前、后仿，仿真之前对网表进 行更改。 • 删除注释部分，仅保留器件描述 。 • 更改VDD! 、VSS!为VDD、VSS 。 • 添加库 。 • 添加偏置管 。 • 添加激励信号（电源VDD、VSS，直流信号， 瞬态信号，交流信号等等）。
Av
GB
M
CMRR
PSRR
2.5V
10 pF
2 V 1 ~ 2V 10V / s 2 m W
74dB
5M Hz
60
。
60dB
60dB
两级CMOS运算放大器的前仿
VDD M3 x iref vin1
=
M4 y
M6
Cc vin2 CL M7
vout
M1 Vn Id5
M2
M8
3
和 P S R R 后仿图形（dc=0V）
1
两级CMOS运算放大器的后仿
表4 设计要求、Cadence前仿结果、HSPICE仿真结果
参数
IC M R
设计要求 Cadence前仿结果
1V ~ 2V
HSPICE前仿结果
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。
两级CMOS运算放大器设计
运放作为一种有足够正向增益的放大器，当加上负反馈时，其闭环转 移函数与运放增益无关 ；
2
西安电子科技大学
CMOS运算放大器的基本分类
两级CMOS运算放大器 套筒式共源共栅CMOS运算放大器（单级） 折叠共源共栅CMOS运算放大器（单级） Rail-to-Rail CMOS运算放大器 Chopper CMOS运算放大器
7
补偿电容的反馈作用，把两个极点拉开。
密勒定理
西安电子科技大学
（a）
（b）
Z11ZAV
,Z2
Z 1AV1
式中，AV VY /VX，是所关心频率下的小信号增益，
通常为简化计算，我们一般用低频增益来代替AV， 这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。
8
西安电子科技大学
二、两级运放的频率补偿
运放一般用在负反馈结构中，在此结构中，相当高而又不确定的开环增益和 反馈一起作用，可以获得一个很准确的转移函数，它是含有反馈参数的函数
C C g d 2 C g d 4 C g s 5 C d b 2 C d b 4 C C g d6 C d b5 C d b6 C L
13
： 传输函数
V o u t(s)gm 1R 1gm R ' ' A 0 ' ' V in(s) (s')(s') (s')(s')
两个极点的位置：
共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路 的输出摆幅 ；
提出两级放大器的结构。
5
西安电子科技大学
CMOS两级运算放大器的基本特性（性能指标）
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CMOS两级运算放大器设计及仿真
实验报告
班级：
学号：
：
日期：
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部分。
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基本结构，绘出电路结构草图。
确定好的电路结构不能轻易修改。
运算放大器的电路结构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合适尺寸。
在手工计算的基础上，运用CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值，仿真分析。
在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。
若不符合，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 < Vout < 1.5V
(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所示。
主要包括四大部分：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。
如下图所示。
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。
如下图所示。
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。
如下图所示。
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。
如下图所示。
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管进行gm/Id、Id/w与Vgs图形仿真，如下图所示。
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：
NM0 4.5
NM2 4.5
NM4 5.15
差分放大电路：
PM0 1.875
PM2 1.875
NM1 15
NM3 15
共源放大级：
PM1 4.7
密勒补偿电路参数配置
Rc 10K
Cc 3pF
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。
如下图所示。
测试第一级差动放大级的放大倍数。
如下图所示。
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。
如下图所示。
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10 MHz。
相位与放大倍数的关系如下图所示。
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 < Vout < 1.4V
(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。