模拟集成电路设计(跨导运算放大器)教学文案

模拟集成电路课程设计

跨导放大器

学院：电信学院

班级：微电子92

组长：曾云霖（09053057）

组员：黄雄（09053042）

蒋仪（09053043）

跨导放大器设计

设计题目：

基于所给的CMOS工艺设计一款跨导放大器。跨导放大器的特点是具有非常大的输出阻抗，将输入电压转换成电流输出，相当于压控电流源。该电路的设计同样需要包括偏置电压电流产生电路。

设计指标：

设计指标：（供参考）性能

参数

测试条件参数指标

负载电容30pF

电源电压范围 2.5~5.5V

静态电流VDD=3.6V，Temp=27℃<250μA

输出摆幅

输入共模电压VDD =3.6V，Temp=27℃

VDD =3.6V，Temp=27℃

0.6~1.2V

0.1~1V

开环增益（低频）VDD =3.6V，Temp=27℃1800~2200

单位增益带宽VDD =3.6V，Temp=27℃>3MHz

相位裕度VDD =3.6V，Temp=27℃>60°

PSRR（低频）VDD =3.6V，Temp=27℃>65dB

跨导（低频）VDD =3.6V，Temp=27℃(900~1100)μA /V 转换速率VDD =3.6V，Temp=27℃>3V/μs

设计要求：

1．确定设计指标（以上指标供参考，可以进行适当修改，但需说明原因）；2．根据设计指标，可以在参考电路结构基础上确定参数和改进设计，也可以查找文献采用其它结构的电路或创造新的电路结构进行设计；

3．阅读模型文件，了解可以选用的器件类型与尺寸范围；

4．手工设计：根据拟定的设计指标，初步确定满足指标的各元件的模型与参数：MOS：沟道长度与宽度，并联个数；

电阻：宽度、长度、串并联个数；

电容：宽度、长度、并联个数；

三极管：并联个数。

5．采用全典型模型, 27℃，验证电路是否满足设计指标；

6．设计偏置电路：

a) 选定电路结构；

b) 手工设计：确定各元件的模型与尺寸；

c) 采用全典型模型，仿真验证偏置电流源的性能；

7．将偏置电路和主体电路合在一起仿真，采用全典型模型，27℃，VDD=3.6V，要求电路达到“设计指标”要求，否则应对电路结构和参数进行修改与优化，直至满足要求（可能需要多次调整），并应包括以下内容：

a) 一输入端固定为0.6V参考电压，另一输入端从0V上升到3.6V（电源电压）

时的输出电压曲线与静态电流曲线，确定低频增益；以输出0.9V为输出参考电压，确定输入失调电压（直流扫描）；

b) 一输入端固定为0.6V参考电压，另一输入端为信号输入，输出工作点为

0.9V时的放大特性：增益、相位、带宽、相位裕量等（交流扫描，）；

c) 输出工作点为0.9V时，PSRR对于频率（1Hz～100KHz）的特性曲线（交

流扫描）

电路参考图：

原理图分析说明：

根据题目说明和参考电路可知，跨导放大器（OTA）是一种电压输入、电流输出的放大器、放大倍数为跨导Gm。我们小组经过讨论分析，最后决定采用如题目所示的参考电路。

在设计电路前，我们首先分析了OTA电路的组成和作用。

如参考电路所示：

OTA电路主要包括3个部分，

第一部分是带隙基准电流源，主要是给整个电路产生一个稳定的电流源；

第二部分是由电流镜组成的偏置电路，主要是给跨导放大器提供偏置电压；

第三部分是运算放大器，它是这个电路实现功能的核心部分，也是电路设计的主要部分。

分析完电路的各个组成部分和功能后，我们小组要做的便是设计各个MOS管的尺寸，使之达到设计指标要求。

运算放大器的设计

设计思路：

运算放大器是这次设计的电路的核心部分，参考电路如下所示：

图一.运算放大器

由图一可知，运算放大器分为两级放大，第一级是M1-M5构成的共源级放大电路，第二级是M6-M13构成的共源共栅放大电路。单端输入，单端输出。偏置电路（电流镜部分）与M1相连，相当于给第一级放大电路提供了电流，所以M1即为一个电流源。M4、M6与M5、M7又是两组电流镜，所以，第一级电路又可以给第二级的放大电路提供一个电流，这样运算放大器就能正常工作。有了这样的分析，运算放大器的设计过程也就可以确定了。

第一步：分配电流

按照设计指标要求，整个电路的电流不能超过250uA ，因为运方是主要的电流消耗部分，我们设计的是给3条支路各80uA 的电流。 第二部：分配过驱动电压：

分配电流以后，为了满足输出摆幅在0.6~1.2V 之间，就必须合理的分配各个管子的过驱动电压，使之既能保证MOS 管正常工作，又能满足输出摆幅和增益的要求。我们小组的Vod 分配如下： M1：0.8V ;

M2、M3：0.25V ； M4、M5：0.3V ； M6、M8：0.3V ； M7、M9：0.2V ；

M10、M11、M12、M13：0.4V 。

第四步：计算宽长比（W

L ）

饱和电流公式：

2()1()2DS n p ox GS TH W

I c V V L μ=

- OD GS TH

V V V =-

2()12DS n p ox OD W

I c V L μ∴=

OD

V 、

DS

I 均在前面两步已经分配，

()n p ox

c μ也是与0.5工艺MODEL 相关的常数，

所以可以求出各个MOS 管的宽长比。 这里注意一下，讲义上给出的

()n p ox

c μ和

TH

V 与仿真是有差距的，要实现仿真与理

论的相切合，这里必须采用仿真的参数，利用DC point 查看NMOS 和PMOS 的eff

β。

在0.5u 工艺下，这些参数的值如下：

:NMOS 0.9TH V V = 42

0 1.203810//ox c cm pf V s μ-=⨯

:PMOS

1.0TH V V

=

520 3.453610//ox c cm pf V s

μ-=⨯

根据上述公式和参数，我们可以求得各MOS 管得尺寸：

1()7.239W L = 2(3)()25.738W L = 4(5)()7.384W L = 6(8)()14.768W L = 9(7)()33.228W L = 1013()28.955W L -=

第四步：

根据过驱动电压来给各个MOS 管的栅极分配电压：