跨导放大器的设计考虑

低电压低功耗伪差分两级运算跨导放大器设计

低电压低功耗伪差分两级运算跨导放大器设计肖莹慧【摘要】为了满足电池供电设备低功耗、低电压的要求,提出一种用于超低电压和低功率混合信号应用的、基于米勒补偿的两级全差分伪运算跨导放大器(OTA).该放大器电路使用标准的0.18μm数字CMOS工艺设计,利用PMOS晶体管的衬体偏置减小阈值电压,输入和输出级设计为AB类模式以增大电压摆幅.将输入级用作伪反相器增强了输入跨导,并采用正反馈技术来增强输出跨导,从而增大直流增益.在0.5V电源电压以及5pF负载下对放大器进行模拟仿真.仿真结果表明,当单位增益频率为35 kHz时,OTA的直流增益为88dB,相位裕量为62°.与现有技术相比,所提出的OTA品质因数改善了单位增益频率和转换速率,此外,其功耗仅为0.08μW,低于其他文献所提到的OTA.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】5页(P431-435)【关键词】低电压低功耗;伪差分两级OTA;0.18μmCMOS技术;AB类模式;米勒补偿;正反馈技术;单位增益频率;转换速率【作者】肖莹慧【作者单位】中南财经政法大学武汉学院, 武汉430000【正文语种】中文【中图分类】TN432对于电池供电的应用产品(如生物医学植入式设备、无线传感器网络和微系统)，如何降低功耗是极其重要的[1].为了满足低功耗低电压要求，人们通常使用工作在弱反型(或亚阈值)区域中的MOS晶体管[2].随着薄氧化物技术的发展，为了避免击穿并保持器件的可靠性，人们减少了电源电压，短沟道器件的阈值电压(Vth)也相对于电源电压按比例缩小.短沟道器件倾向于短沟道效应(SCE)，这种效应降低了放大器的固有增益，使单级放大器难以获得高增益[3-4].MOS晶体管配置的共射共基放大器因有限的电源电压倾向于减小摆动而不能使用.与串联晶体管相比，具有公共栅极的堆叠复合(自共栅)晶体管[5]能够提供较小的输出电压和高电阻值，通过级联多个增益级可实现高增益，但需要额外的补偿电路，且每个增益级需要额外的功率补偿[6-7].米勒补偿[8-11]是两级运算跨导放大器(OTA)较为简单和流行的补偿技术，嵌套式米勒补偿将包含两级以上放大器，其在两个高阻抗节点之间放置一个补偿电容(CC).由于从输入级到输出节点的前馈路径将产生正(右手平面)零点，这会降低相位裕量并使OTA不稳定.为了改善OTA的稳定性，可以消除零点或将零点置于较高频率处.而为了将零点置于较高频率处，第二级放大器则需要较大的偏置电流，这增加了放大器的总功耗.有两种技术可使正零点无效，一种技术是将米勒电阻(RC)与CC串联；另一种技术则是通过在CC和输出节点之间放置电压(电流)缓冲器来断开正向通路[12-13].但用于低频OTAs和电压(电流)缓冲器中的大量芯片会增加额外的功耗.近年来，众多低压电路均利用了衬底驱动晶体管，例如差分放大器、电流镜、电压基准和缓冲器等[8-9].衬体驱动晶体管能够工作在低电压条件下，但其衬底跨导、本征增益较小，而输入电容较大.在文献[5]中已实现了基于自级联的OTA，但其品质因数较小；文献[1]中使用三阱CMOS技术实现了伪两级栅极驱动和衬体驱动OTA，但三阱技术的需求和额外的制造步骤导致了成本增加.这些OTAs使用电阻共模反馈电路不仅降低了输出电阻值，且增大了芯片的面积.本文提出一种低功耗、高增益的伪全差分二级OTA，OTA的输入和输出级处于AB类模式，意味着所有晶体管将驱动输入信号，从而提高压摆性能.OTA的输入级用作伪反相器，其增强了输入跨导(gmⅠ)，采用正反馈技术来增强输出跨导(gmⅡ).本文所提出的OTA工作电压为0.5 V，负载电容为5 pF.1 米勒补偿伪两级运算跨导放大器1.1 主放大器单级共源共栅电路拓扑结构中不适合设计工作在低电压下的大摆幅高增益放大器，相反，通常采用多级拓扑结构来实现期望的增益和输出摆动，可通过MOS晶体管的级联以及多个增益的级联来降低输出电导或增加MOSFET的输入跨导，以增加增益值[10].不同增益增强技术均有其优缺点，级联对于低电压电路不可用，多级需要补偿且每级会产生额外功率，电导可通过增加MOSFET的沟道而减小，但其增大了寄生电容.本文所提出的伪运算跨导放大器基于低电源电压，并且通过改善每个级的跨导而不增加分支中的电流来增强增益.此外，本文的OTA设计采用AB类模式以提高电压摆幅与增益.图1为米勒补偿二级伪运算跨导放大器的电路图.图1中，UIN和UIP为反相和同相输入端，UON和UOP为运算跨导放大器的输出节点.放大器第一级由伪差分对M1A-M1B、交叉耦合晶体管M2A与M4B以及M2B与M4A组成，所有晶体管偏置在亚阈值区域.在交叉耦合模式下，电压缓冲电路M2A-M2B，M4A-M4B将输入反馈到M3A-M3B.交叉耦合配置充当电压缓冲器，且其输出反馈到M3A-M3B的栅极，由于耦合配置，输入跨导将得到改善.输入级PMOS晶体管的衬底偏置电压低于衬底电压，以减小阈值电压.输入级的公共输出节点电压等于连接PMOS M4A-M4B晶体管的栅极电压，由于该种配置消除了共模反馈电路(CMFB)，为了避免额外的制造步骤，OTA中NMOS晶体管的所有衬底连接到地.第二级放大器的交叉耦合(M6A-M6B，M8A-M8B)配置与第一级放大器的交叉耦合配置类似.M8A-M8B衬底连接为正反馈模式，作为共源放大器.总输出级跨导等于输出级PMOS M7A-M7B晶体管的跨导乘以交叉耦合共源结构的增益AVCF，这有助于增强增益，并可保持右半复平面(RHP)零点处于较高频率，以提高相位裕量.交叉耦合共源结构的增益为(1)式中，gmK、gmbK和gdsK为第K个晶体管的栅极跨导、衬底跨导及漏极电导.图1所示电路中，晶体管MKA的所有参数等于晶体管MKB.图1 米勒补偿的二级伪运算跨导放大器电路图Fig.1 Circuit diagram of two-stage pseudo-OTA with Miller compensation差分模式下伪运算跨导放大器的总增益为(2)(3)gmⅡ=gm5+(gm7+gmb7)·(4)1.2 共模放大器对于全差分放大器，其需要共模反馈将输出节点稳定到所需的值，一般等于中间电源电压.这里二极管连接MOS放置在输入和输出级，设置共模电压等于中间电容值.二极管连接的MOS栅极电压等于共模电压，施加的差分信号的输入和输出跨导是单独的MOS跨导的总和.输入有效跨导gmⅠC和输出有效跨导gmⅡC及共模增益AVCM表示为(5)gmⅡC=gm5-(gm7+gmb7)·(6)(7)1.3 频率补偿米勒补偿是一种用来补偿两级放大器的技术，使用该技术可以在分裂极点的两个高阻抗节点之间插入补偿电容.由于从输入级到节点的前馈将产生正零点，这降低了相位裕量.本文所提出的运算跨导放大器使用米勒补偿技术来使放大器稳定，这里通过使零点保持在较高频率实现期望的相位裕量.第二级放大器需要较大的跨导，其由正反馈交叉耦合配置得到增强.米勒补偿运算跨导放大器的极点和零点分别为(8)Pnd(9)(10)式中：R1、R2为输入和输出级的输出电阻；Pd、Pnd为主极点和非主极点；PZ 为RHP零点.图1中经过米勒补偿的OTA单位增益频率为(11)2 模拟结果2.1 基本特性本文所提出的OTA基于Cadence Virtuoso环境设计，使用UMC 0.18 μm数字CMOS技术进行模拟.为了观察OTA的开环增益和相位性能，设置负载电容(CL)为5 pF来对放大器电路进行模拟.放大器的频率特性模拟结果如图2所示，可以看出，OTA增益为88 dB，单位增益频率为35 kHz，相位裕量为62°.图3显示了共模和电源抑制响应特性.由图3可以得出，放大器的共模抑制比(CMRR)约为94.5 dB，因为在第二级配置中的正反馈用作共模信号的负反馈，这导致在输出节点处共模增益较小，所提出的OTA对共模和电源信号不敏感.伪差分OTA的输入参考噪声特性如图4所示，OTA的噪声特性主要取决于输入级跨导，其输入级跨导是常规差分配置放大器的两倍，噪声抑制效果较好.图5显示了负载电容(CL)为5 pF，电源电压为0.5 V时，本文所提出的伪OTA大信号脉冲响应.当误差为0.1%和0.01%时，建立时间分别为40 μs和160 μs.图2 频率特性模拟结果Fig.2 Simulation results of frequency characteristics图3 共模和电源抑制响应模拟结果Fig.3 Simulation results of common mode and power supply rejection response图4 输入噪声响应特性模拟结果Fig.4 Simulation results of input noise response characteristics图6为本文所提出的OTA在单位反馈增益模式下的共模范围特性.当输入电压为0.1～0.4 V时，其具有线性范围，完全可以满足低频应用.图5 单位增益模式下大信号脉冲响应模拟结果Fig.5 Simulation resultsof large signal impulse response under unity gain mode图6 单位增益模式下输入共模范围模拟结果Fig.6 Simulation results of input common-mode range under unity gain mode2.2 性能比较表1对几种OTA的主要参数进行了对比，FOM1表示单位增益品质因数，FOM2表示转换速率品质因数.由表1可知，本文所提出的放大器在增益、噪声、单位增益频率(UGF)和电源抑制比(PSRR)方面均显示出更优的性能，品质因数(FOM)也高于其他OTA.其中，电源电压为0.5 V，FOM1和FOM2分别为109、231，均为其他OTA的两倍以上.另外，直流增益高达88 dB，而功耗仅为0.08 μW，远远低于其他OTA功耗.3 结论本文提出了一种低电压低功耗CMOS伪差分两级运算跨导放大器(OTA)，该放大器基于AB类拓扑结构，其中输入馈送到输入晶体管.为了避免低增益问题，在第二级放大器中采用正反馈技术提高了OTA的增益和稳定性，同时获得较小的电流及较大的跨导.与之前文献所提出的OTA相比，本文提出的OTA显示出更好的品质因数(FOM1和FOM2).同时，文中使用5 pF负载电容和0.5 V电源电压对OTA进行模拟，模拟结果显示，本文提出的OTA在35 kHz的单位增益频率下直流增益高达88 dB，相位裕量为62°.此外，输入参考噪声特性模拟结果显示，该OTA在低频下具有更好的闪烁噪声性能，且在1 kHz下的输入参考噪声有益于在生物医学中应用.该OTA在0.5 V电源电压下功耗为0.08 μW，远小于文献中其他OTA的功耗.表1 伪OTA与其他文献中的OTA模拟仿真结果对比Tab.1 Comparison in simulation results of pseudo-OTA and OTA in other literatures方法电源电压VCMOS技术直流开环增益dBUGFMHz相位裕量(°)压摆率(+/-)(V·μs-1)输入噪声(μV·Hz-1/2)CMRRdB本文0.50.18μm(双阱)88.0 0.035620.074/-0.0870.150(@1kHz)94.5(@1Hz)文献[9]0.550nm74.04.800493.4000.059(@1MHz)106.0(@5kHz)文献[5]1.0SOI45nm55.9656.00061500.000-63.0(@10kHz)文献[11]0.80.18μm(双阱)51.00.04065 0.1200.057(@1MHz)65.0(@1Hz)方法PSRR+dBPSRR-dB稳定时间μs负载电容pF总电流μA功耗μWFOM1FOM2本文84.5(@1Hz)110.5(@1Hz)160(0.01%)5.0 0.16 0.08109.0231.0文献[9]81.0(@5kHz)-0.53(0.1%)20.0200.00100.0048.034.0文献[5]60.0-0.07(1.0%)0.3620.00620.0031.724.2文献[11]---10.01.251.0032.096.0参考文献(References)：【相关文献】[1] Ragheb A N，Kim H W.Ultra-low power OTA based on bias recycling and subthreshold operation with phase margin enhancement [J].Microelectronics Journal，2017，47(3)：94-101.[2] Wang H J，Wang C H，He H Z，et al.A low-power voltage reference source based on sub threshold MOSFETs [J].Microelectronics Journal，2011，41(5)：654-657.[3] Shim J，Yang T，Jeong J.Design of low power CMOS ultra wide band low noise amplifier using noise canceling technique [J].Microelectronics Journal，2013，43(9)：821-826.[4] Akbari M，Hashemipour O.Enhancing transconductance of ultra-low-power two-stage folded cascode OTA [J].Electronics Letters，2014，50(21)：1514-1516.[5] 徐少波.一种基于信号处理的光纤液体温度传感器 [J].沈阳工业大学学报，2005，27(1)：77-79. (XU Shao-bo.An optical fiber liquid temperature sensor based on signal processing [J].Journal of Shenyang University of Technology，2005，27(1)：77-79.)[6] Gomez H，Espinosa G.55 dB DC gain，robust to PVT single-stage fully differential amplifier on 45 nm SOI-CMOS technology [J].Electronics Letters，2014，50(10)：737-739.[7] Garimella A，Furth P M.Frequency compensation techniques for op-amps and LDOs：a tutorial overview [J].Midwest Symposium on Circuits & Systems，2011(7)：1-4.[8] 薛超耀，韩志超，欧健，等.一种恒跨导轨对轨CMOS运算放大器的设计[J].电子科技，2013，26(9)：121-123.(XUE Chao-yao，HAN Zhi-chao，OU Jian，et al.A design of electronic technology，constant cross rail to rail CMOS operational amplifier [J].Electronic Science and Technology，2013，26(9)：121-123.)[9] Wu D，Gao C，Liu H，et al.A low power double-sampling extended counting ADCwith class-AB OTA for sensor arrays [J].IEEE Transactions on Circuits & Systems I：Regular Papers，2015，62(1)：29-38.[10]吴贵能，周玮.一种两级CMOS运算放大器电源抑制比提高技术 [J].重庆邮电大学学报(自然科学版)，2010，22(2)：209-213.(WU Gui-neng，ZHOU Wei.PSRR improvement technique for two-stage CMOS operational amplifier [J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition)，2010，22(2)：209-213.)[11]田锦明，王松林，来新泉，等.一种新颖的OTA结构的数模转换器 [J].电子科技，2006(3)：13-16.(TIAN Jin-ming，WANG Song-lin，LAI Xin-quan，et al.A novel digital to analog converter with OTA structure [J].Electronic Science and Technology，2006(3)：13-16.)[12]Mirvakili A，Koomson V J.Passive frequency compensation for high gain-bandwidth and high slew-rate two-stage OTA [J].Electronics Letters，2014，50(9)：657-659.[13]Valero M，Celma S，Medrano N，et al.An ultra low-power low-voltage class AB CMOS fully differential opamp [J].IEEE International Symposium on Circuits & Systems，2012，57(1)：1967-1970.。

跨导放大器的原理与应用

跨导放大器的原理与应用1. 跨导放大器的概述
• 1.1 跨导放大器的定义
• 1.2 跨导放大器的分类
• 1.3 跨导放大器的特点
2. 跨导放大器的原理
• 2.1 跨导放大器的基本结构
• 2.2 跨导放大器的工作原理
• 2.3 跨导放大器的放大机制
3. 跨导放大器的应用
• 3.1 电子通信领域
– 3.1.1 无线电通信系统
– 3.1.2 手机和移动设备
– 3.1.3 通信基站
• 3.2 音频放大领域
– 3.2.1 音响系统
– 3.2.2 乐器放大器
• 3.3 传感器接口电路
– 3.3.1 温度传感器
– 3.3.2 压力传感器
– 3.3.3 光传感器
4. 跨导放大器的优缺点
• 4.1 优点
• 4.2 缺点
5. 跨导放大器的设计考虑因素
• 5.1 增益要求
• 5.2 带宽要求
• 5.3 稳定性要求
6. 跨导放大器的改进方法
• 6.1 功率增强技术
• 6.2 噪声降低技术
• 6.3 线性度改善技术
7. 结论
•本文介绍了跨导放大器的原理与应用，包括跨导放大器的概述、原理、应用场景以及优缺点等内容。

随着电子通信和音频放大技术的发展，跨导放大器在各个领域都有重要的应用。

不过，在设计跨导放大器时需要考虑到增益、带宽和稳定性等因素，同时也需要探索改进方法来提高功率、降低噪声和改善线性度。

跨导放大器作为一种重要的电子器件，将继续在各个领域发挥重要作用。

(完整word版)跨导运算放大器的设计

跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。

通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。

1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V , 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54 μA ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 oC ，并且最优指数totalLI C GBW FOM ∙=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp，然C LB : 1 1 : B后自己调整；（2）仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。

将分析结果与实际仿真结果进行比较；（3）尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。

二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。

跨导放大器的分析与设计2

提高晶体管本征增益：寄生电容增加
增加第一级或者第二级的输出阻抗：通过特定的技术来提高输出阻抗（Cascode技术）
采用Cascode技术的单级OTA －－Telescopic OTA
单纯考察OTA的特性，应用在反馈环路中的分析同两级基本OTA
小信号特性
输出阻抗为：
Rout (gm4 Aro4 Aro4 ) || (gm2 Aro2 Aro2 )
偏置VBB2的产生电路
VBB2 VGS1A,2 A Vin,CM Vtn1,2
VBB2 Vx Vov1,2 VGS1A,2 A Vx Vt 2Vov
采用类似于低压电流镜中偏置的设计方案，MB1工作于线性区，尺寸为 MB2尺寸的1/3，为留有设计余量，一般取为1/5，可采用晶体管单元串联来实现，避免MB1的宽度太小gm1,2 Rout
具有与两级基本OTA相似的增益，在某些场合可以作OTA使用：telescopic OTA（单级放大器）
输出极点是主极点
p1
GBW Av
1 Rout Cout
输入共模范围
共模范围：所有晶体管都工作于饱和区时输入共模电压的范围，这时放大器具有最大的小信号增益
跨导放大器的分析与设计（2）
提要
两级基本OTA存在的问题及改善办法 Cascode技术
单级放大器
➢Telescopic ➢折叠Cascode技术 ➢单级OTA的频率补偿 ➢Gain Boosting：有源Cascode技术
共模反馈环路
两级基本OTA存在的问题
存在的问题
OTA低频电压增益：(gmro)2 Miller补偿，稳定性要求非主极点位于离单位
采用Cascode技术的单级OTA －－折叠Cascode技术

跨导放大器设计实例

模拟集成电路实验——跨导放大器设计实验报告学院：电信学院班级：微电子23班姓名：游晓东学号：2120503069一、设计指标二、电路结构确定电路结构的原因： ① 根据设计指标② 电路结构对称，匹配度高，,Offset CMRR 性能指标好③ 电路稳定性好，只有一个主极点④ 该电路为差分输入，单端输出，共模抑制比大，输出共模点较稳定三、电路原理概述该电路主要由三部分组成：带隙基准电流源、偏置电路、跨导放大器9~21M M 构成一个跨导放大器，其中13M 为尾电流源，向输入的差动对管提供电流偏置。

11,12M M 为输入差分对管，将小信号电压转换成小信号电流。

9,14M M 和10,17M M 为两个对称的电流镜，比例复制小信号电流。

14,15M M 与16,17M M 为共源共栅结构，可以提高输出阻抗和开环增益。

18,19,20,21M M M M 为低压共源共栅电流镜，可以作为单端输出并且提高输出摆幅。

0~8M M 构成偏置电路部分，为跨导放大器提供偏置电流。

22~34,0~2,0~2M M Q Q R R 构成带隙基准电流源部分，为电路提供基准电流源。

四、设计过程1. 分配电流根据静态电流250A μ限制，分配带隙基准电流源部分20A μ，偏置电路部分10A μ（其中每一路2A μ），跨导放大器部分210A μ。

分配14,17M M 的偏置电流14M I 时主要考虑三个指标：,,GBW SR GMGM 要求900~1100/A V μ，因此GM 取1000/A V μ。

由于11GM B gm =⋅，B为14,9M M 的偏置电流之比，因此111000/B gm A V μ⋅= （1）GBW 要求大于3MHZ 。

112LB gm GBWC π⋅=⋅，因此11566/B gm A V μ⋅> （2）SR 要求大于3/V S μ。

92M LB I SRC ⋅=，因此9290M B I A μ⋅> （3）由于9112M ODI gm V =，若OD V 取0.2V ，则由（1）得9100M B I A μ⋅=，由（2）得956.6M B I A μ⋅>，由（3）得945M B I A μ⋅>。

一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器的设计的开题报告

一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器的设
计的开题报告
本文将介绍一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器（transconductance operational amplifier，简称OTA）的设计。

该设计旨在实现超低电压输入、广泛带宽、高增益和输出稳定性，以满足现代电路设计中对高性能运算放大器的需求。

本文将从以下几个方面介绍该设计的开发过程：
1. 需求分析：介绍现代电路设计对高性能OTA的需求和该设计的目标性能参数。

2. 电路原理：介绍基于 CMOS 双极性晶体管（BJT）的 OTA 电路原理，并详细阐述其输入级、差动放大器、输出级等组成部分。

3. 设计方法：介绍针对该OTA设计的CMOS工艺选择和电路仿真方法，并详细介绍根据需求分析、电路原理及相关参数计算所采用的设计方法。

4. 电路仿真：通过电路仿真软件进行电路仿真分析，验证该设计的性能参数。

5. 总结与展望：总结本文内容，展望该设计的应用前景及未来发展方向。

总之，该设计旨在满足现代电路设计对高性能OTA的需求，具有较高实际应用价值。

折叠式共源-共栅运算跨导放大器的设计

《IC课程设计》报告折叠式共源-共栅运算跨导放大器的设计姓名：王志伟学号：U200713959班级：0707院系：控制系专业：自动化同组人姓名：田绍宇胡月目录1设计目标 (1)2相关背景知识 (2)3设计过程 (2)3.1 电路结构设计 (2)3.2 主要电路参数的手工推导 (2)3.2.1直流工作点分析 (2)3.2.2带宽分析及原件参数计算 (3)3.2.3直流增益的小信号模型分析 (4)3.3 计算参数验证 (5)4电路仿真 (5)4.1交流特性仿真 (7)4.2最大输出摆幅仿真 (9)4.3共模输出的仿真验证 (11)5讨论 (12)6收获和建议 (13)7参考文献 (14)摘要：折叠式共源共栅结构的运算放大器不仅能提高增益、增加电源电压噪声抑制比、而且在输出端允许自补偿。

1设计目标设计一款折叠式共源-共栅跨导运算放大器（Design a Folded Cascode OTA），其设计指标见表1，参考电路原理图如下图所示，用0.35um coms工艺。

图：折叠式共源-共栅跨导运算放大器设计步骤与要点：1.直流工作点的分析与设计（DC operation point design and analysis）1) 假设所有的MOS管均工作在饱和区，VGS-VT=200mV，VDD=3V，VSS= 0V，计算OTA的最大输出摆幅。

2) 基于0.35 um CMOS工艺，计算和设计MOS管的尺寸，使OTA电路满足最大输出摆幅的要求。

3) 以下数据可供设计参考L1,2,3,4 = Lmin; Lmin= 1μm。

2.在HSpice电路仿真软件，对所设计的电路进行模拟仿真与设计2相关背景知识随着集成电路技术的不断发展，高性能运算放大器得到广泛应用，其性能直接影响电路及系统的整体性能。

折叠式共源共栅运算放大器具有二阶优化性能，因此设计一个实用价值的折叠式共源共栅运算放大器是非常有现实意义的。

CMOS管的参数并不能通过简单的理论计算进行准确的预测，在给定的工艺条件下，理论计算出的管子宽长不考虑实际情况下工艺条件等诸多外界因素，仿真的结果会和设计指标有很大的差距。

跨导放大器的分析与设计1

两输入端之间的电压为0
流进或者流出输入端的电流为0
运算放大器与跨导放大器（1）
运算放大器与跨导放大器（2）
运算放大器（Opamp）跨导放大器（OTA）
通用放大器电压控制电压源（VCVS）低输出阻抗
能驱动电阻性负载或电容性负载
OTA＋Buffer
缓冲器增加了电路的复杂度和功耗
差分对Cgd的Miller效应消除办法：
使用Cascode结构（可提高增益）使用中和（Neutralization）电容
提要
跨导放大器的基本概念单级跨导放大器两级OTA的基本特性两级OTA的频率补偿：Miller补偿反馈型OTA中的噪声两级OTA的设计阶跃响应：线性建立过程阶跃响应：放大器中的压摆问题
单级OTA：最大输出摆幅
调节输入/输出共模电平，使得可获得的输出电压摆幅达到最大
使用长沟道平方律方程很容易确定优化的输入/输出共模电平
受到短沟道效应的影响
差分摆幅
单端摆幅
SW
2 min[Vout(max) Voc ,Voc Vout(min) ]
实际电路中输入/输出共模电平是由跨导放大器的接口电路（前后级电路）决定的
跨导放大器的分析与设计（1）
提要
跨导放大器的基本概念单级跨导放大器两级OTA的基本特性两级OTA的频率补偿：Miller补偿反馈型OTA中的噪声两级OTA的设计阶跃响应：线性建立过程阶跃响应：放大器中的压摆问题
理想运算放大器
差分输入端差模电压增益为无穷
大输入阻抗为无穷大输出阻抗为0
单级OTA：输出摆幅
Vout(max) VDD Vminp
单
端
Vout(min) (Vic Vt Vov ) Vminn

CMOS恒跨导运算放大器设计

（2）跨导运算放大器模型 ● OTA的符号如图所示,它有两个输入端,一个输出端,一个控制端。符号上的 “+”号表示同相输入端,“一”表示反相输入端, I O 是输出电流, I B 是偏置电流,即外部控制电流。 I O G(V V ) GVid ● OTA的传输特性用下列方程式描述：
lim Rnn ( ) 0 此外，若时延足够大，则
所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数 R( ) Rss ( )
三、互相关检测
1、基本原理：
若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发出一个与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能力。
OTA的小信号理想模型
2 CMOS恒跨导运算放大器的设计
（1）设计指标
● 工作电压： 2.7V
● 直流开环增益：90dB
● 相角裕度： 70 ● 增益带宽积：1.4MHz ● 负载电容：25pF
（2）运算放大器原理框图
● 输入级采用互补差分对结构，使共模输入电压范围达到轨到轨，
通过3倍电流镜控制尾电流使输
U s1 (t )
窄带滤波放大输入信号
U 1 (t )
×
U 2 (t ) 参考信号

U O (t )
锁定放大器原理
锁定放大器理论推导
设输入信号： X (t ) S (t ) N (t )
A sin(t ) N (t )
S (t ) 为有用信号，A为其幅值，角频率为，初相角为其中， N (t ) 为随机噪声，
由上式可以得到输出阻抗：Zout ( A 1) gmro1ro2 而单共源共栅电路的输出阻抗为： gmro1ro2 电路的小信号分析表明输出阻抗 Z out值增大。

高速BiCMOS运算跨导放大器的设计

高速BiCMO S运算跨导放大器的设计车红瑞1,王海柱1,杨建红1,金璐2(11兰州大学微电子研究所,兰州730000;21辽宁大学,沈阳110036摘要:基于全差分结构提出一种高速BiC M OS运算跨导放大器,该放大器采用两级放大结构实现,可用于8位250Msps流水线结构模数转换器的采样/保持电路中。

电路使用0135μm BiC M OS工艺实现,由313V单电源供电,经优化设计后,实现了211GH z的单位增益带宽,直流开环增益61dB,相位裕度50°,功耗16mW,输出摆幅达到2V;在2pF的负载电容下,建立时间小于016ns,转换速率1200V/μs。

该放大器完全符合设计要求的性能指标。

关键词:双极互补金属氧化物半导体;模拟电路;跨导运算放大器;流水线中图分类号:T N34211文献标识码:A文章编号:10032353X(20090120041204Design of H igh Speed BiCMOS Operational Transconductance Amplifier Che H ongrui1,Wang Haizhu1,Y ang Jianhong1,Jin Lu2(11Institute o f Microelectronics,Lanzhou Univer sity,Lanzhou730000,China;21Liaoning Univer sity,Shenyang110036,ChinaAbstract:A313V fully differential BiC M OS operational transconductance am plifier(OT Awas designed.I t was realized by tw o2stage structure,and could be used in sam pling2h olding circuit of an8bits250Msps pipelined analog2digital converter(ADC.T he simulated DC gain of the OT A is61d B and its unity gain frequency is 211G H z at a phase m argin of50°.T he OT A has a differential output s wing of2V anddissipates16mW.T his OT A settles within016ns and the SR is1200V/μs whiledriving2pF capacitive loads.All the design is based on the process m odel of Xfab0135μm BiC M OS.K ey w ords:BiC M OS;analog circuit;operational am plifier;pipelineEEACC:12200引言目前,模数转换器(A/D转换器在无线通信、数字信号处理和高速数据采集等领域中得到广泛的应用。

(完整word版)跨导运算放大器的设计

跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。

通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。

1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V , 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54 μA ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 oC ，并且最优指数totalLI C GBW FOM ∙=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp，然C LB : 1 1 : B后自己调整；（2）仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。

将分析结果与实际仿真结果进行比较；（3）尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。

二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。

一种恒跨导CMOS运算放大器的设计

一种恒跨导CMOS运算放大器的设计王怡倢;李会方;温琼;陈志寅【摘要】设计了一种宽带轨对轨运算放大器,此运算放大器在3.3 V单电源下供电,采用电流镜和尾电流开关控制来实现输入级总跨导的恒定.为了能够处理宽的电平范围和得到足够的放大倍数,采用用折叠式共源共栅结构作为前级放大.输出级采用AB类控制的轨对轨输出.频率补偿采用了级联密勒补偿的方法.基于TSMC 2.5μm CMOS工艺,电路采用HSpice仿真,该运放可达到轨对轨的输入/输出电压范围.%A wide-band rail-to-rail operational amplifier working with single power supply of 3. 3 V is designed. Current mirrors and tail current swithes are used to keep the transconductance of the input stage constant. In order to get enough gain and to deal with wider level range, the folded-cascode structure is adopted as the preamplifier. A class AB controJ is used in the outpur stage. The operational amplifier is compensated with the cascoded Miller frequency compensation technique. Based on the TSMC 2. 5 μm CMOS process, the circuit is simulated by HSpice. It can achieve rail-to-rail of signal input and output range.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)008【总页数】4页(P140-143)【关键词】轨对轨;运算放大器;电流开关;AB类输出级【作者】王怡倢;李会方;温琼;陈志寅【作者单位】西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,陕西,西安,710129【正文语种】中文【中图分类】TN402-340 引言随着微电子技术的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用。

具有较小跨导的跨导放大器结构的一个比较设计方法

具有较小跨导的跨导放大器结构的一个比较设计方法摘要：一个家用CMOS运算放大器（OTAS）已经被设计成具有非常小的跨导以保证晶体管在温和的反转中工作。

许多的OTA设计方案如传统的利用电流转换、浮栅和大容量驱动技术都已经被讨论过。

这些方案的一些性能特点如功耗、有源硅区、信号噪音比我们也进行了一些详细的比较。

我们已经在一个1.2μm的n阱COMS工艺和工作电源2.7V 的条件下爱制备出了这种跨导放大器。

并且芯片的测试结果与理论计算结果也有很好的吻合。

引言由于人类身体的相对缓慢的电活动在医疗电子设备、有源滤波器和低截止频率等领域是很必要的。

低频电路应用的另一个领域是斜坡生成模拟---数字转换器（ADC）测试和神经网络领域。

因此，我们致力于研究出一个能够在低频率下工作的开发集成解决方案的电路。

对于一个运算跨导放大器—电容（OTA-C）滤波器来实现这样一个低频率来说就意味着需要大型电容器和非常低的跨导。

因此，我们有两个完全独立的角度去处理这个问题。

一种是设计出具有非常低的跨导（一般没伏几微毫安）、高线性；另一种是在芯片上实现大电容（通常是几纳法）。

按照上述思路，我们来分析不同工艺取得低跨导，我们在功耗、有源硅区、信号噪声比（SNR）等性能特性方面针对不同的方法已经开展了比较研究。

特别强调了在温和反转区的MOS晶体管的操作设计以便在功率和面积要求上达到一个较好的折中可能。

OTA拓扑在温和的反转中我们设计四种不同的OTA拓扑结构，在相同的跨导值为10nA/v的所有MOSFET模型中我们用一个方程式来权衡相关的设计参数如功耗、有源硅区和SNR。

A参考的OTA设计A如图一所示，这个OTA主要由两个不同部分（M1和M2）和三个电流镜。

放大器的全部跨导Gm跟M1、M2相同（M3=M4=M5=M6,M7=M8）。

根据所需的跨导值，此基本拓扑电流的结构水平可以非常小（大约在微微安培每伏），这就会使得W/L的比值为0.001甚至更少。

高增益跨导性运算放大器设计

全差分高增益跨导型运算放大器设计
10212020059 赵琦
摘要运算放大器作为模拟集成电路设计的基础，同时作为日后 DAC 校准电路中的一部分，本次设计一个高增益全差分跨导型运算放大器。电路采用两级结构，输入级采用折叠共源共栅，第二级采用电流源负载单管放大器。通过电阻电容来调节零极点间的相对位置，进行频率补偿，来保证系统有良好的频率特性。共模反馈电路保证电路工作点稳定。采用 SMIC 0.13um 工艺。仿真结果显示，该全差分高增益跨导型运算放大器共模输入范围为 0.6V，输出共模范围为 0.6V，在负载 300fF 时，GBW 为 750M，直流增益为 79dB。一、设计指标
GBW
gm
g m1、 2 2 Cc
2I Vgs Vth
其中补偿电容粗略估算，留有余量取 300fF。 Vgs Vth 取 0.2V。可以粗
略估算 I 为 120uA，本设计中取为 150uA。通过简单 miller 补偿，主极点
P 1
C 为 miller 补偿电容，次级点
表 1 设计指标
电源电压输入共模输出共模直流增益 GBW 输出负载
1.2V 0.6V 0.6V 60dB 700M 300fF
二、体系结构考虑到在 1.2V 电源电压下，输入共模电压为 0.6V，因此本文选用折叠共源共栅结构，差分输入对保证了电路有较好的共模抑制。第二
级采用了电流源负载的单管放大器。电阻 R2 和电容 C 用来调节零极点的位置进行频率补偿，以保证系统的稳定性。基本原理是增加一个左半平面 (LHP) 零点来抵消次级点对相位的影响，同时会把主极点推向原点。最左边部分是共模反馈电路。
50 0 -50
-100 0 10

跨导运算放大器的设计

跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。

通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。

1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V , 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54 μA ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 o C，并且最优指数totalLI C GBW FOM •=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp ，然C LB : 1 1 : B后自己调整；（2）仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。

将分析结果与实际仿真结果进行比较；（3）尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。

二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。

低电压全摆幅恒跨导CMOS运算放大器的设计

第 !" 卷
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吉首大学学报（自然科学版） ,%-./0& %1 ,234%- 5/267 .3289（ (08-.0& :;27/;7 <=282%/ ）
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收稿日期： !))* @ )F @ ?? 基金项目：国家自然科学基金资助项目（#)! "")?)）作者简介：谢长焱（?+F# @ ），男，湖南长沙人，中南大学信息科学与工程学院教授，主要从事电子技术、电路与系统理论、控制系统设计研究 ’
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吉首大学学报（自然科学版）
低电压全摆幅恒跨导
CDE: 运
算放大器的设计
谢长焱? ，何怡刚 !
（? ’ 中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 B?))AF ； ! ’ 湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙 B?))A !）
பைடு நூலகம்
摘
要：给出了一种常用两级低电压 CDE: 运算放大器的输入级、中间增益级及输出级的原理电路图，并阐述其主要
（ * , +） - % 常数， !" ’() % - ’ ()

高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计

高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计1 引言运放是电子工程学科中最常用的基础电路元件之一。

其主要功能是接收输入信号，经过处理后输出一个信号，这可以是电压、电流、复合信号等不同形式的信号。

高增益恒跨导低失调轨至轨运放是一种广泛应用的运放类型，其优点包括高增益、宽带宽、低失调和能够处理大量信号等等。

本文将介绍高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的基本原理和设计方法。

2 关键设计参数高增益恒跨导低失调轨至轨运放的设计需要考虑一系列关键参数。

这些参数包括放大器的增益、带宽、失调、输入阻抗、输出阻抗等等。

下面将分别介绍这些关键参数。

2.1 增益放大器的增益通常是设计时需要优化的主要参数之一。

在高增益恒跨导低失调轨至轨运放的设计中，增益主要取决于差分对输入和不同的反馈电路。

因此，设计者需要选用适当的反馈结构和电容来达成所需的增益。

2.2 带宽高增益恒跨导低失调轨至轨运放的带宽通常被设计为大于几百Mhz，这是因为其应用涉及高速信号处理和光纤通信业等领域。

带宽取决于放大器的极点，因此，在设计时需要确保放大器的布局和电气特性能够支持所选的带宽，以避免输出失真和衰减。

2.3 失调失调是指差分输入信号被误差放大，产生输出偏移的情况。

失调可由差分对的非对称性引起，因此，设计时需要确保差分对的匹配性，以减小失调。

2.4 输入阻抗放大器的输入阻抗取决于前级电阻和差分对的电阻。

输入阻抗影响放大器的干扰抗性和电路的灵敏度。

设计时需要选择合适的前级电阻和差分对的电阻，以实现所需的输入阻抗。

2.5 输出阻抗放大器的输出阻抗通常很低，这是因为高输出阻抗可能会导致信号变形。

输出阻抗与两级输出级的负载电阻有关。

设计时需要选择合适的负载电阻和输出级的电路结构，以实现所需的输出阻抗。

3 设计方法高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计方法包括：3.1 选择运放类型选择合适的高增益恒跨导低失调轨至轨运放类型取决于应用需求。

常用的类型包括单放大器、差动放大器和多级放大器等。

标准工艺的低压跨导放大器设计

北京信息科技大学毕业设计（论文）题目：标准工艺的低压跨导放大器设计摘要（中文）由于跨导放大器技术的飞速进步，CMOS电路向着低压、低功耗、小尺寸方向发展，使得电压低、功率小CMOS电路成为目前研究的热点。

CMOS跨导运算放大器的特点是电路结构简单，输出阻抗高，输出量是电流且不随负载变化；高频性能好，带通宽，增益通过控制端连续可调，所以基于CMOS电流输出的跨导运算放大器的仿真设计研究具有重要现实意义和应用价值。

本次毕业设计要求是基于中芯国际SMIC0.18微米标准工艺实现一个低压跨导运算放大器电路，以Cadence virtuso平台下完成电路原理图搭建、理论推导结果、电路仿真、电路调试以及最终后端版图生成相关工作，最终电路在1.8V电源电压下实现电压增益大于20dB，静态功耗小于300微瓦，达到了毕业设计要求。

关键词：跨导放大器；电路图；版图；Cadence摘要(英文)Because of transconductance technology rapid progress，Generation of operational transconductance amplifiers are faster, bigger range of input and output speeds toward a better high-frequency performance, lower power consumption and other direction. The transconductance operational amplifier circuit is characterized by simple structure, high output impedance, the output does not change with the load current, high-frequency performance, wide pass band, the gain continuously adjustable via the control terminal, the study has a transconductance amplifier becomes important practical significance and value.The graduation requirements are based on SMIC SMIC0.18 micron standard process to achieve a low transconductance operational amplifier circuit to be completed under the Cadence virtuso platform to build circuit schematics, the theoretical findings, circuit simulation, circuit debugging and final back-end layout generate relevant work, the final circuit at 1.8V supply voltage for voltage gain greater than 20dB, the static power consumption of less than 300 microwatts, reaching graduation requirements.Keywords: Operational transconductance amplifier to; circuit diagram; layout; Cadence目录摘要（中文） (Ⅰ)摘要(英文) (Ⅱ)第一章：放大器的历史发展.............................................- 1 -1.1 毕业设计的相关背景及研究现状 .................................. - 1 -1.2 课题研究重要意义及目的 ........................................ - 3 -1．3 论文结构和主要内容 ......................................... - 3 -第二章跨导运算放大器的基本原理.....................................- 4 -2.1 OTA的基本概念和理想模型....................................... - 4 -2.2 CMOS-OTA基本电路模型及工作原理................................ - 5 -2.3本章小结........................................................ - 6 -第三章CMOS跨导运算放大器电路设计及模拟仿真..........................- 6 -3.1 放大器的电路设计 ............................................... - 6 -3.1.1 参数设定....................................................................................................................... - 8 -3.2 放大器电路的模拟仿真........................................ - 12 -3.2.1 理论推导结果（放大器电压增益，输入噪声及静态功耗） ............................. - 12 -3.2.2 仿真波形....................................................................................................................... - 13 -3.2.3 SPICE网表及分析...................................................................................................... - 14 -3.3 本章小结...................................................... - 21 -第四章CMOS跨导运算放大器的版图设计................................. - 22 -4.1 版图设计规则 ................................................. - 22 -4.2 具体版图的设计 ............................................... - 22 -4.3 本章小结 ...................................................... - 23 -结论 .............................................................. - 23 - 结束语：............................................................ - 24 -参考文献............................................................ - 26 -致谢：.............................................................. - 27 -第一章放大器的历史发展1.1 毕业设计的相关背景及研究现状从20世纪末期开始，科学技术的发展有了一个质的飞越，而其中运算放大器的快速崛起更是使电子信息产业的发展上升到了一个新的高度。