两级运放设计实例
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基本两级运放设计一、实验要求电源电压2.7V,CMR在0.2—1.5v之间,增益大于80db,转换速率大于10v/us,单位增益带宽大于10M,输出电压范围0.3v—2.4v之间。
二、实验目的1.掌握PSPICE的仿真2.熟悉两级放大器的原理三、实验原理下图是基本两级运放的结构图:图1 基本两级运放结构图两级运放将增益与摆幅分开考虑,第一级采用在基本差分放大器来提供高的增益,第二级采用简单的共源级结构以提供大的摆幅。
电路原理图如图2所示:图2 基本两级运放电路原理图● 输入共模电压范围:由M1管饱和条件SD on V V ≥,得到:2112(||)||CC incm TP on on incm CC TP on on V V V V V V V V V V -++⇒---≥≤由M2管饱和条件SD on V V ≥,得到:66||||GS incm TP incm GS TP V V V V V V +⇒-≤≥取150.2V on on V V =,,||0.67V TP V =,0.45V TN V =输入共模电压范围为:0V 1.63V incm V ≤≤● 输出摆幅:由M6管和M7管的饱和条件DS on V V ≥,得到76on out CC on V V V V -≤≤取670.2V on on V V ==,得到输出摆幅为:0.2V 2.5V out V ≤≤四、实验步骤1、 增益带宽仿真电路图如图3所示:图3 增益带宽仿真电路图通过给定的偏置电流值设置好各个MOS 管和晶体管的参数,然后对整个电路进行交流仿真(AC Sweep ),得到仿真曲线图如图4所示:图4 交流仿真波特图从上图中,可以看出,该电路的增益81.3d A dB =,带宽为1.04K ,单位增益带宽11.6GB MHz =,相位余度为62°。
2、 输出电压摆幅在运放同向输入端叠加一个交流信号源,然后对信号源进行直流扫描(DC Sweep ),得到如图5所示的仿真曲线图。
高增益二级运放的设计重庆邮电大学重庆国际半导体学院年级:2011级班级:1611101姓名:王强引言相对与数字集成电路的规律性和离散性,计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。
但这并不适用于模拟电路设计。
一般来说,模拟电路设计仍然需要手工进行。
因此,仔细研究模拟电路的设计过程,熟悉那些提高设计效率、增加设计成功机会的原则是非常必要的。
运算放大器(简称运放)是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。
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。
伴随者每一代CMOS 工艺,由于电源电压和晶体管沟道长度的减小,为运放的设计不断提出复杂的课题。
运算放大器的设计可以分为两个较为独立的两个步骤。
第一步是选择或搭建运放的基本结构,绘出电路结构草图。
一般来说,决定好了电路结构以后,便不会更改了,除非有些性能要求必须通过改变电路结构来实现。
一旦结构确定,接着就要选择直流电流,手工设计管子尺寸,以及设计补偿电路等等,这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。
为了满足运放的交流和直流要求,所有管子都应被设计出合适的尺寸。
然后在手工计算的基础上,运用计算机模拟电路可以极大的方便对电路进行调试和修改。
但要记住,手算是绝对必需的!通过手算,可以深入的理解电路,对于设计多边形法则也可以更好进行权衡和把握。
电路分析图1.1M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10M11M12Vin+Vin-VoutVin1IssGNDVDD电路结构最基本的CMOS 二级米勒补偿运算放大器的结构如图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。
电路描述输入级放大电路由M 1~M 8组成。
M 1和M 2组成NMOS 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。
输出级放大电路由M 9、M 10组成。
M 9为共源放大器,M 10为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。
华中科技大学IC课程设计两级全差动运算放大器的设计年级:学号:姓名:专业:指导老师:二零一一年十二月摘要应用0.18umCMOS工艺,设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。
可以满足一定的高速度、高精度的指标。
两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。
通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出,从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。
因此,优于一些传统的两级运算放大器。
关键词:全差动运算放大器;共源放大器;折叠式放大器AbstractA fully differential operational amplifier with a DC-gain of 86dB and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process.It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefore,it is better than some of the traditional operational amplifier.Keywords:fully differential operational amplifier; common-source amplifier; Folding amplifier目录摘要 (1)Abstract (2)1.引言 (4)2. 两级全差动运算放大器设计要求 (4)3. 电路分析与设计 (4)3.1.第一级运算放大器设计 (5)3.1.1第一级差模电压增益 (6)3.1.2.共模电压输入范围 (6)3.1.3.第一级增益带宽积GBW (7)3.1.4.第一级MOS管宽长比 (7)3.1.5.第一级仿真结果 (7)3.2.第二级运算放大器设计 (8)3.2.1.第二级差模电压增益 (9)3.2.2.偏置电压与偏值电流 (9)3.2.3.增益带宽积与负载电容 (9)3.2.4.第二级MOS管宽长比 (9)3.2.5.第二级仿真结果 (10)3.3.两级联仿 (10)3.3.1.差分压摆率 (11)3.3.2.静态功耗 (11)3.3.3.等效输入参考噪声 (11)3.3.4.相角裕度 (12)3.3.5.两级联仿结果 (13)4. 结论 (13)致谢 (14)参考文献 (14)心得体会 (15)1.引言随着模拟集成电路技术的发展,高速、高精度运算放大器得到广泛应用。
实验题⽬:⼆级运放的设计实验题⽬:⼆级运放的设计(⽬的):1. 学习运放中管⼦尺⼨的设计2. 学习运放组成的线性反馈系统的稳定性和频率补偿3. 学会稳定性判据和相位裕度的概念(仪器)仿真软件hspice(原理)(包括主要公式,电路图等)电路图如下:实验内容:1. 设计⼀个运放,使其直流增益≥60dB,单位增益负反馈相位裕度≥450(输出端接1PF 电容负载),电路图结构如下所⽰2. 设计好符合要求的运放后,把图⼀画在实验报告上,并标明W,L,M(管⼦个数)、Iref、Cc 的值Iref =10E-6 Cc= 2E-12M1 M2 M3 M4 L=0.4E-6 W= 1.2E-6 M=2.0M5 M6 M7 M8 L=0.4E-6 W= 1.2E-6 M=1.03. 把VdB(Vout)和VP(Vout)的曲线画在实验报告上,并求出所设计运放的实际单位增益负反馈的相位裕度。
PM=180-130=60M7 M6 M8 Vdd M1 M2 M5 Iref M3 M4 Vin+ Vin- CL=1pF Vout Vdc=2.5 ACc L0 C0 L=1GH C=1GF Vin- Vout VIN 2 (Vin+)注:1. 在⽹表中,可把Cc 放在结点A 与Vout 之间。
若需补偿右半平⾯零点时,可加电阻R 与Cc 串联。
2. ⽹表中Vdd,C0,L0,CL 不能改变值外,其余尺⼨都需⾃⼰设计3. 设计的值Iref≤10uA,Cc≤5PF。
4. M1 和M2 的个数M 为偶数5. M3 和M4 的个数M 为偶数实验⼼得体会:通过实验我学会了学习运放中管⼦尺⼨的设计和运放组成的线性反馈系统的稳定性和频率补偿并且学会稳定性判据和相位裕度的概念。
还了解运算放⼤器(简称运放)是许多模拟系统和混合信号系统中的⼀个完整部分。
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以分为两个较为独⽴的两个步骤:第⼀步是选择或搭建运放的基本结构,绘出电路结构草图。
运算放大器的仿真分析结果如下。
静态工作点:(1)运放的输入失调电压仿真通过仿真运放的直流传输特性是测量其输入失调电压。
运放的电源电压为5V,在开环状态下,其反相端接2.5V直流电压,同相端加从2.45V到2.55V的直流扫描电压,做DC 仿真得到的运放的直流传输特性如图7.19所示,其输入失调电压为3mV,满足了通用运放失调电压的要求。
图7.19 运放的直流传输特性分析(2)运放的共模输入范围运放的共模输入范围是运放的输入输出跟随特性。
运放的电源为5V,运放的反相端和输出相连,构成缓冲器;同相端加直流扫描从0到5V,经仿真得到的运放输入输出跟随特性如图7.20所示,其输入共模电压范围从0.1V到4.6V,满足了设计指标的要求。
图7.20 运放的共模输入范围(3)运放的输出电压摆幅特性运放的输出电压摆幅特性是仿真运放的输出电压最大值和最小值。
运放的输出电压摆幅特性仿真电路如图7.21所示,其反相比例放大器增益为10。
Vin1M10M+2.5V +5VV out图7.21 运放的输出电压摆幅特性仿真电路正输入端接2.5V的直流电压,V in输入端加从0到5V的直流扫描电压,经仿真得到的运放输出电压摆幅特性见图7.22,运放的输出电压摆幅是从0到5V,满足了运放指标对输出电压摆幅的要求。
图7.22 运放的输出电压摆幅特性(4)运放的小信号相频和幅频特性运放的小信号相频和幅频特性是仿真运放的开环小信号放大倍数及其相位随频率的变化趋势,从而得到运放的相位裕度和单位增益带宽指标,并进一步鉴别运放的放大能力、稳定性和工作带宽。
运放的输出端接2pF的负载电容,电源电压为5V,共模输入电压为2.5V,差模输入幅度为1V的交流信号,即两输入端的输入交流信号相位相反。
做交流小信号分析,可以得到运放的小信号相频和幅频特性如图7.23所示。
从仿真结果可以看出,运放采用RC补偿,在满足单位增益带宽的同时,能很好的调节相位裕度。
CMOS两级运放设计与仿真本设计采用Tanner软件中的S-Edit组件设计CMOS两级运放原理图,并使用T-Spice 组件对其电路生成的Spice文件进行设定仿真,以便进一步掌握Tanner软件的使用方法。
操作流程如下:编辑两级运放的原理图->生成Spice文件->进行模拟仿真->查看结果。
一、两级运放的原理图两级CMOS运放的基本结构如图一所示。
该电路的第一级为差分放大器,由V1~V4组成。
第二级由V5、V6组成,其中V5为该级的放大管,V6为负载管,输出为高阻型。
恒流源由V7、V8、V9组成。
Cc为相位补偿电容,以防止电路产生自激。
图一两级CMOS运放本设计采用1.25um工艺,取最小尺寸,即管子长L=2*1.25=2.5um,并要求电压增益大于等于5000,单位增益带宽等于3MHz,压摆率为2,补偿电容为5pF管子开启电压为1V,直流电源电压为5V,差分电源电压为3V,高频正弦小信号,NMOS和PMOS的沟道调制系数分别为0.01和0.015。
各个管子的宽长比如下表所示。
表格 1 两级运放放大器设计参数二、编辑运放原理图1)打开S-Edit组件,在其中调入PMOS模块(*4)、NMOS模块(*5)、直流电源模块(*3)、正弦电压源模块(*1)、电容模块(*1)和GND模块(*1)。
最后将各个模块按图一所示放置好,并连线。
2)按照上述参数要求修改PMOS和NMOS的参数,以及正弦信号、电源电压的参数。
3)加入输出接点:单击工具栏中的输出接点按钮,再单击电容右端节点,在弹出的对话框中输入节点名“OUT”,再单击OK即可。
如图二所示。
图二加入输出接点按照上述要求和操作后的两级CMOS运放电路图如图三所示。
图三运放原理图4)重命名模块为“两级运放”,生成Spice文件,并在其中插入命令:单击命令工具条中的T-Spice按钮,自动生成Spice文件,并自动打开T-Spice组件程序。
实验5 Cade nee 模拟电路仿真1、电路图的输入利用我们Hspice 学习的最后一个两级运算放大器的设计中的电路。
* Target specification ; * CL = 4pF, Av>4000, * GB=2MHz* 1 < CMR < 4,0.8 < Vout < 4.2 *SR = 2 V/us , Pdiss < 10mW , * w ith 0.5um UMC processMI6*Two stage OP designJib ,T 9905spice,moder r mos_tt.option post nomod.TEMP 27* Netlist informationM1 3 1 50 nmos L=2u W=8u AS=18p AD=18p+ PS=18u PD=18uM24250 nmos L=2u W=8u AS=18p AD=18p+ PS=18u PD=18u M3 3 3 vdd vdd pmos L=10u W=10u AS=12p AD=12p PS=16u PD=16uM4 4 3 vdd vdd pmos L=10u W=10u AS=12p AD=12p PS=16u PD=16u M5 5 vbias vss vss nmos L=2u W=7u AS=49p AD=49p PS=26u PD=26uM6 vout 4 vdd vdd pmos L=2u W=70u AS=49Qp AD=490p PS=150u PD=150u M7 vout vbias vss vss nmos L-2u W=130u AS=930p AD=930p + PS=260u PD=260uM8 vbias vbias vss vss nmos L=2u W=7u AS=49p AD=49p PS=26u PD=26u* Feedback CAP Cc vout 4 0T 44pF Cl vout 0 4pF Ibias vdd vbias 3.8u * Voltage sourses vdd vdd 0 5v vss vss 0 Ov vdd1 - M1 M2r^ - 2|5M8 f -------- ---------------- < -------H Vbias H M5vin2 2 0 2.5v vin1 1 ODC 2+5v AC 1 *.OP* AC Analysis function .ac dec 10 10 100MEG .probe ac vdb(vout)+ vp(vout) vdb(4)vp(4) .meas ac Uriit_gain + when vdb(vout)=0 .meas ac phase_mar + FIND vp(vout) when vdb(vout)=0* Transient analysis sectionM1 3 vout 5 0 nmos L=2u W=8u AS=18p AD=18p PS=18u PD=18u vin2 2 0 pulse(0v 5v 1n 1p 1p 600n 1200n) .tran 5n 2u对该运放的电路进行输入,仿真模型利用 Oban 中提供的模型文件。