CMOS两级运算放大器

3.2 仿真结果与分析

图3基本电路图

3.2.1直流仿真：DC仿真、静态工作点、输出电压摆幅、失调电压

图 4 DC仿真电路图

图5 DC仿真结果

分析：如图所示输入级放大电路由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。

M3 和M4 为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。M6 为第二级跨导级，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。由图知各个器件在静态工作点均工作在饱和区，M14工作于线性区。

图6输出电压摆幅电路图

图7输出电压摆幅仿真结果图

分析：输出动态范围即输出摆幅，是所有晶体管都工作在饱和区时的输出电压的范围。如果输出电压过低，M6工作在线性区，如果输出电压过高，M7 工作在线性区。所以输出摆幅范围是V GST6≤V OUT≤V DD-V GST7。一旦输出电压超过输出摆幅，某一个MOS 管就会进入线性区，输出阻抗降低，增益也就会下降。降低过驱动电压可以拓展输出摆幅。注意，如果仅仅是容性负载，输出电压可以达到电源电压和地，但此时增益严重下降，失真已经出现。如果有阻性负载（接地），输出电压是无论如何都到达不了电源电压的。由图可知输出电压摆幅为0.27V≤V OUT≤2.97V。

图8失调电压电路图

图9失调电压仿真结果图

分析: 对于差分输入、单端输出的运放，为最大化输出摆幅，输出电压共模点取在输出摆幅的一半处，即(V DD-V GST7+V GST6)/2，如果M6和M7过驱动电压相同，那么输出电压共模点取在V DD/2 处。输入失调电压定义为单端输出电压为V DD/2 时的差分输入电压值。注意，失调电压是指直流失调。由图可知该电路的失调电压为0.3mV

静态功耗：一旦电源电压确定，静态功耗取决于各支路静态电流总和。考察各路电路，可以知道，此运放的静态功耗为PDC=VDD*(IDS5+IDS7+IDS8+IDS9)=3* (220+70+2.5+3.5)=0.9mW。电流的分配受其他性能指标的影响，比如GBW、转换速率、噪声性能等。

3.2.2交流仿真：增益、单位增益带宽、相位裕度、CMRR、PSRR

图10增益和单位增益带宽、相位裕度电路图

图11增益和单位增益带宽、相位裕度仿真结果图

分析：运算放大器的増益是个重要的设计指标，运算放大器的增益直接影咱负反馈系统的精度。在线性系统结构中，电压的增益一般都为G m R OUT其中G m是整个系统在输出接地的等效跨导；而R OUT代表的输出电阻是当输入电压为零时得到的。输入电压用V IN表示；V CM则代表共模输入电平，负责提供运算放大器的直流偏置,直流偏置的变化会引起运放增益的改变所以Gm=I OUT/V IN；单位增益带宽是运放最重要的指标之一，它定义为当运放增益为1 时，所加输入信号的频率，这是运放所能正常工作的最大频率，即増益为0dB处的带宽即为单位增益带宽。而此时对应的相移与180度的差即为相位裕度。由图可知电路的增益为70.08dB，单位增益带宽为5.382MHZ，相位裕度为90度。

图12 CMRR仿真电路图

图13 CMRR仿真结果图

分析：共模抑制比（CMRR）的定义为运算放大器的差分输入增益与共模増益的比值。将运算放大器接成单位增益负反馈的形式，在运算放大器的同相和反相输入端加上相同的小信号电压V CM=1V。由此可得V OUT/V CM=1/CMRR=V OUT.由图可知CMRR=70dB。

图14 PSRR仿真电路图

图15 PSRR仿真结果图

分析：运算放大器的电源抑制比（PSRR）可以定义为其输入端到输出端的増益和电源到输出端的増益的比值。将运放接成单位增益负反馈的结构，即将运算放大器的反相输入端和输出短接。将差分输入信号设为零，在电源电压源添加1V的交流分量V cm。由小信号等效模型可计算出：V OUT/Vcm=1/PSRR=V OUT。由图可知PSRR=71dB。

3.2.3瞬态Tran仿真

图16 SR仿真电路图

图17 SR仿真结果图1

图18 SR仿结果图2

分析：运放的压摆率（Slew Rate,SR）是指输出电压变化的最大速率，单位为V/S（或者更常见的是V/us）。将运放连接成单位増益负反馈的形式，反相输入端和输出端相连。在同相输入端添加一个小的方波信号观察输出端的波形。进行瞬态扫描，观察输出曲线。由图可得压摆率为37V/us。另外通过测量其上升沿时通过C C的电流I=335uA,由SR=I/C C=34V/us 知误差不大可以接受。

3.3 CMOS 两级运算放大器设计及验证的优化

本文基于设计要求，选择电路结构，详细设计了MOS管的尺寸，对运放进行了Candence 仿真，仿真结果表明，开环直流增益，相位裕度，转换速率，共模抑制比，电源抑制比等性能参数均达到预期设计要求，但是静态功耗和等效输入噪声两项未能达到设计要求，说明还需要对设计进行优化。优化设计主要针对静态功耗和等效输入噪声两项未达标的参数，思路是适当减小静态电流以降低功耗，同时优化M1-M4管尺寸以减小噪声。

参考文献

[1] 《CMOS 模拟集成电路设计第二版》【美Phillip E.Allen 等著冯军等译】

[2] 《模拟CMOS集成电路设计》【美毕查得·拉扎维】

[3] 《二级密勒补偿运算放大器设计教程》【美Phillip E.Allen 等著冯军等译】