内容发布更新时间 : 2024/5/5 11:50:46星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

CMOS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。

电源电压 0~5V 共模输入电压 固定在(VDD+VSS)/2 开环直流增益 ≥80dB 单位增益带宽 ≥30MHz 相位裕度 ≥60degree 转换速率 ≥30 V/μs 静态功耗（电流） ≤1mA 负载电容 =3pf 表1 两级运放设计指标

三．电路设计

第一级的电压增益：

A1?Gm1R1?gm2(ro2||ro4) 第二级电压增益：

A2??Gm2R2?gm6(ro6||ro7) 所以直流开环电压增益：

Ao?A1A2??gm2gm6(ro2||ro4)(ro6||ro7) 单位增益带宽：

GBW?Agm1Ofd?2?C c偏置电流：

(3.1) (3.2) (3.3) (3.4)

?(W/L)12?2??1? IB?2?? (3.5) KPn(W/L)12RB?(W/L)13?2根据系统失调电压：

(W/L)3(W/L)41(W/L)5?? (3.6)

(W/L)6(W/L)62(W/L)7

转换速率：

?II?I? SR?min?DS5,DS7DS5? (3.7)

CL?CC?相位补偿：

RCgm6?(W/L)6(W/L)14g(W/L)11?m6?1 (3.8)

(W/L)131.2gm1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，经过手算得到一个大致的器件参数如表2。

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 120/1 120/1 40/1 40/1 16/1 160/1 32/1 3.2/1 M9 M10 M11 M12 M13 M14 Cc RB 表2 二级运放器件参数

3.2/1 6/1 6/1 24/1 6/1 20/1 1.5pf 6 K?