7两级CMOS运算放大器设计

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模拟CMOS集成电路设计优质课程设计实验报告二级放大器的设计

模拟CMOS集成电路设计课程设计报告--------二级运算放大器旳设计信息科学技术学院电子与科学技术系一、概述：运算放大器是一种能将两个输入电压之差放大并输出旳集成电路。

运算放大器是模拟电子技术中最常用旳电路，在某种限度上，可以把它当作一种类似于BJT 或FET 旳电子器件。

它是许多模拟系统和混合信号系统中旳重要构成部分。

它旳重要参数涉及：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、输入共模与差模范畴、输出驱动能力、建立时间与压摆率、CMRR、PSRR以及功耗等。

二、设计任务：设计一种二级运算放大器，使其满足下列设计指标：三、电路分析：1.电路构造：最基本旳二级运算放大器如下图所示，重要涉及四部分：第一级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。

2.电路描述：输入级放大电路由PM2、PM0、PM1和NM0、NM1构成。

PM0和PM1构成差分输入对，使用差分对可以有效地克制共模信号干扰；NM0和NM1构成电流镜作为有源负载；PM2作为恒流源为放大器第一级提供恒定旳偏置电流。

第二级放大电路由NM2和PM3构成。

NM2为共源放大器；PM3为恒流源作负载。

相位补偿电路由电阻R0和电容C0构成，跨接在第二级输入输出之间，构成RC米勒补偿。

此外从电流电压转换角度来看，PM0和PM1为第一级差分跨导级，将差分输入电压转换为差分电流。

NM0和NM1为第一级负载，将差模电流恢复为差模电压。

NM2为第二级跨导级，将差分电压信号转换为电流，而PM3再次将电流信号转换成电压信号输出。

偏置电压由V0和V2给出。

3.静态特性对第一级放大电路：构成差分对旳PM0和PM1完全对称，故有G m1=g mp0=g mp1 (1)第一级输出电阻R out1=r op1||r on1 (2)则第一级电压增益A1=G m1Rout1=g mp0,1(r op1||r on1) (3) 对第二级放大电路：电压增益A2=G m2R out2= -g mn2(r on2||r op3) (4) 故总旳直流开环电压增益A0=A1A2= -g mp0,1g mn2(r op1||r on1)(r on2||r op3) (5) 由于所有旳管子都工作在饱和区，因此对于gm我们可以用公式g m =D I L W )/(Cox 2μ (6) 进行计算；而电阻r o 可由下式计算 r o =DI 1λ (7)其中λ为沟道长度调制系数且λ∝1/L 。

7两级CMOS运算放大器设计分析

1 RII C II
西安电子科技大学
有补偿两级运放的小信号模型

相位裕度（Phase Margin）
失调电压（Offset Voltage）建立时间（Setting Time）
45< PM< 75
VOS<20mV TSET<1us

电源抑制比（PSRR）
共模抑制比（CMRR）
>60dB
>60dB
输出电压摆幅（Output Voltage Swing） >1.5V（Rail-to-Rail：0~3.3V）
11
西安电子科技大学
两级CMOS运放的稳定性分析
也就是说，稳定性是由单位开环增益的相位值决定的，即由相位裕度决定。所以系统稳定性的重要体现就是运放的相位裕度较大，一般运放的相位裕度要求在60o左右。
12
西安电子科技大学
无补偿两级运放的小信号模型
无补偿运放的二阶模型，为使结果通用，用角标I表示第一级的元件，角标II代

芯片面积（Silicon Die Area）
6
西安电子科技大学
两级CMOS运算放大器的基本结构
（a）无补偿运放

（b）有补偿运放

M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等; 两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极点，因而降低了运放的相位裕度; 为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第二级之间中加入补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过
导与输出阻抗的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益；

共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路的输出摆幅；

两级运算放大器设计文档-20150116

点，使补偿后的运放只有一个极点。这就要求：
fZ

1
2
CC
(
g
m
1 6

RZ
)
gm6
2 CL
RZ
CC CL gm6 CC
(b) 消去零点。即将零点移至无穷远处。这就要求
gm6Rz 1
(c) 将零点移到左半平面略大于 GBW 的位置。一般为 1.2 倍 GBW 处（why？），原因：1,2GBW 处的零点既不影响幅度特性，又能很好地贡献相位裕度。
=
��
=
��1 2��
=
��1 ��1
��1
1 2��
（5）
B 相位补偿分析：
如图 1 电路，加入一个与 Cc 的串联电阻之后，电路的零点变为：
第六章仿真
6.1 直流增益、带宽和相位裕度
结果说明
A1 A2 增益 3dB带宽增益带宽积相位裕度
16.64 20.8 50.8dB 4.2MHZ 1.88GHZ 62deg
仿真结果图示
6.2 偏置电路设计：
注：此电路没有做输入偏置，后续工作应做一个 342mv 的偏置供输入。
放大器 symbol 测试
W 502.392u 502.392u 155.416u 155.416u 342.083u 104.154u 849.32u 306.99u
5.4 计算&仿真参数
DC参数 Vout Vp Vgs1 Vgs2 id1 id2

cmos两级级联运算放大器电路

CMOS两阶段的级联操作放大器电路就像集成电路（IC）技术的超级
英雄。

由于其放大和冷却的金属—氧化—半导体（CMOS）技术的双重阶段，这个电路用高增益和增加带宽来打包一拳。

这就像瑞士军队
的刀模拟信号处理，准备应对任何挑战的方式。

无论是放大音频信
号还是在传感器中压缩数字这个电路都是你用来模拟一切的下一次
你需要信号助推，只要呼叫CMOS两级级级的操作放大器电路， IC
世界的无声英雄！
这个CMOS两阶段操作放大器的第一部分有几台晶体管，它们一起工作来提升输入信号，然后还有这个电流镜的东西可以帮助负载。

这个
第一阶段基本上为第二部分铺设了舞台。

第二阶段类似于encore，它能增加更多的收益，并有助于提升输出电压。

很酷的是，第一阶段的
输出只是直接插入第二阶段的输入，所以它就像这种双功率提升的配置。

CMOS两阶段的级联操作放大器电路具有重大优点，包括收益高、输
入阻力高以及铁路对铁路输出摇摆。

它适合需要大量扩展的应用程序，特别是在数据获取系统、传感器接口和音频信号处理领域。

电路的配
制和加强涉及仔细考虑晶体管的尺寸、偏差和计费技术，所有这些技
术都是为了达到所期望的性能指标。

两级全差动运算放大器的设计

两级全差动运算放大器的设计华中科技大学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。

两级CMOS运算放大器设计

两级CMOS运算放大器设计引言CMOS运算放大器是现代电路设计中的重要组成部分，它在模拟电路中扮演着关键的角色。

CMOS运算放大器由于其低功耗、高增益和较低的失调电压而备受青睐。

本文将介绍两级CMOS运算放大器的设计方法，包括电路结构、工作原理以及性能指标。

电路结构两级CMOS运算放大器由两个级联的CMOS差动放大器组成，它们的输出分别连接在第二级差动放大器的输入上。

这种结构能够提供更高的增益和更好的线性度。

差动放大器差动放大器是CMOS运算放大器的关键组成部分，它用于将输入信号转换为差模信号，并放大差模信号以提供一个具有高增益的输出。

CMOS差动放大器由一对输入端和一对输出端组成，每个输入端都连接了一个NMOS和一个PMOS管，这样可以实现单端输入和差分输入。

工作原理两级CMOS运算放大器的工作原理如下：1.输入信号被差动放大器的第一级转换为差模信号，并经过第一级放大。

第一级放大的输出信号被传递给第二级放大器。

2.第二级差动放大器放大差模信号，然后将其转换为单端输出信号。

3.输出信号经过一个输出级，通过一个负反馈回路被注入到第二级差动放大器的输入上。

设计步骤下面是设计两级CMOS运算放大器的一般步骤：1.确定电路的性能指标，例如增益、带宽以及失调电压等。

2.根据给定的性能指标选择差动放大器和输出级的电路结构。

3.根据选择的电路结构计算电路的参数，例如电阻、电容和晶体管的尺寸等。

4.使用电路模拟工具，例如SPICE，对电路进行仿真和优化。

5.布局电路，并进行布线。

6.进行电路的后仿真和测试。

性能指标两级CMOS运算放大器的性能指标通常包括以下几个方面：1.增益：运算放大器的增益是指输出信号相对于输入信号的放大程度。

在设计过程中，需要根据实际应用需求确定所需的增益。

2.带宽：带宽是指运算放大器能够输出一个相对稳定的放大信号的频率范围。

一般来说，带宽越大，运算放大器的性能越好。

3.失调电压：失调电压是指实际输入和理论输入之间的偏差。

CMOS二级运算放大器设计

CMOS二级运算放大器设计编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（CMOS二级运算放大器设计）的内容能够给您的工作和学习带来便利。

同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。

本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为CMOS二级运算放大器设计的全部内容。

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。

三．电路设计第一级的电压增益:（3.1）第二级电压增益：(3.2）所以直流开环电压增益：(3.3）单位增益带宽：(3。

两阶段CMOS运算放大器的设计与实现

第３｝第４期（卷
２ｆ０９年１）２月
渤海大学学报（自然科学版）
ＪｕｎｌｆＢｈｉｎｖｒｉ（ｔｒｌＳｉｎｅＥｉｏｏｒａｏａｉｅｓｔＮａｕａｃｅｃｄｔｎ）ｏＵｙｉ
Ｖｏ．ＯＮＯ．１３４
Байду номын сангаас
图１两阶段运放
２１微分增益级．
第一级增益是微分增益阶段，由晶体管Ｍ１和Ｍ４成。晶体管Ｍ１和Ｍ２是标准的Ｎ通道场效应组晶体管（ＮＭＯＳ）他们共同构成基本输入级的放大器。口输出的是Ｍ１，出的反相输入和Ｍ２的非反相输
后阶段，负荷还有助于增大共模抑制比。
２２第二增益级．
设计第二阶段的目的是要提供放大器的额外增益。不仅需要由Ｍ５和Ｍ６共同组成集成晶体管，而且这个阶段需要的是在标准同源配置下Ｍ２的输出流失和Ｍ５的放大通过。同样，似差分增益阶段，类这
为大信号电压增益。上升时问：出１至９的所需要的时间的最终值称为上升时间。输００ ‘
转换率：出电压每个时问单位的最大的变化率。（ｄ输Ｖｏ／ｄ）度的输出信号的转换率。ｔ坡
过冲：最大输出偏离其稳态值定义为过冲。共模抑制比：共模抑制比是比例差分增益和共模增益之间的比率。
３２７
全．
渤海大学学报（自然科学版）

CMOS两级运放设计解读

I I I SR min{ DS5 , DS7
DS 5}
CC
CL
为了测量转换速率，将运算放大器输出端与反相输入端相连，如下图所示，
7 有一部分电流 DS5 要留
C I I C 过，所以只有
的电流经过。这样一来，对于正的输入阶跃，
C
DS 7
DS 5
L
M M I I C 4 的漏端电压会下降，也会减少流经
6 的电流。电流 DS 7
DS5 对 L 充
电，导致一个正的电压梯度，斜率为
SRext
I I DS7
DS 5
CL
所以总的 SR 是这两个中的最小值 SR min{ SRint , SRext} , 得到
2.1 电路图
2 电路分析
2.2 电路原理分析
两级运算放大器的电路结构如图 1.1 所示，偏置电路由理想电流源和 M8 组成。 M8 将电流源提供的电流转换为电压， M8 和 M5 组成电流镜， M5 将电压信号转换为电流信号。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，将差模电流恢复为差模电压。； M5 为第一级提供恒定偏置电流，流过 M1 ，2 的电流与流过 M3,4 的电流 I d1,2 I d 3,4 I d5 / 2 。输出级放大电路由 M6 、M7 组成。 M6 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。 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 Cc 构成，构成密勒补偿。
ds5
。如果
C
7 提供足够的电流给

两级CMOS运算放大器的设计与spectrum仿真

LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计V SSvoutiref图 1两级CMOS 运算放大器一：基本目标：参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标：5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤相位裕度：60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。

在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。

要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。

因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。

这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。

为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。

如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。

表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性二：两级放大电路的电路分析：图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。

图1所示，Cc 为引入的米勒补偿电容。

表2 0.5m μ工艺库提供的模型参数表3 一些常用的物理常数利用表2、表3中的参数/OX ox ox C t ε=0oxK C μ'=计算得到2110/NK A V μ'≅ 262/PK A V μ'≅ 第一级差分放大器的电压增益为：1124m v ds ds g A g g -=+ （1）第二极共源放大器的电压增益为6267m v ds ds g A g g -=+ （2）所以二级放大器的总的电压增益为16261224675246672()()m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===++++ （3）相位裕量有111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GB p p z ---Φ=±---=要求60°的相位裕量，假设RHP 零点高于10GB 以上11102tan ()tan ()tan (0.1)120v GBA p ---++= 102tan ()24.3GBp -= 所以2 2.2p GB ≥ 即622.2()m m L cg gC C > 由于要求60的相位裕量，所以626210()10m m m m c cg gg g C C >⇒> 可得到 2.20.2210Lc L C C C >==2.2pF 因此由补偿电容最小值2.2pF ，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 考虑共模输入范围：在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+ （4）在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++ （5）而电路的一些基本指标有11m v Cg p A C =-（6） 62m Lg p C =-（7） 61m Cg z C =（8） 1m Cg GB C =（9） CMR:正的CMR in31()()DD T T V V V +（最大）=V 最大最小 (10)负的CMR in15()()SS T DS V V V ++（最小）=V 最大饱和(12)由电路的压摆率5d CI SR C =得到 5d I =(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取40iref A μ=。

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若VDS5＜100mV，则可能会使(W/L)5过大，这是不可接受的。若VDS5＜0V，则说明所确定的共模范围CMR的技术规范太严了。为此，我们可以减小I5或增加 (W/L)1。注意，应考虑条件改变后对前面设计步骤的影呐。这样反复迭代，直到获得满意的结果。由求得的VDS5及(W/L)5为
W L

9
反馈系统
西安电子科技大学
两级CMOS运放的稳定性分析
反馈信号必须满足一定的相位和幅值条件，以避免信号产生再生现象，即满足下式：（如果出现了再生，就可能使运放产生振荡）
A jw0 F jw0 L( jw0 ) 1
其中ω0定义为：
Arg A( jw0 )F ( jw0 ) ArgL( jw0 ) 0

相位裕度（Phase Margin）
失调电压（Offset Voltage）建立时间（Setting Time）
45< PM< 75
VOS<20mV TSET<1us

电源抑制比（PSRR）
共模抑制比（CMRR）
>60dB
>60dB
输出电压摆幅（Output Voltage Swing） >1.5V（Rail-to-Rail：0~3.3V）
导与输出阻抗的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益；

共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路的输出摆幅；

提出两级放大器的结构。
5
西安电子科技大学
CMOS两级运算放大器的基本特性（性能指标）

直流开环增益（DC Open-Loop Gain） >70dB 单位增益带宽（Unit-Gain Bandwidth） >5MHz

芯片面积（Silicon Die Area）
6
西安电子科技大学
两级CMOS运算放大器的基本结构
（a）无补偿运放

（b）有补偿运放

M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等; 两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极点，因而降低了运放的相位裕度; 为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第二级之间中加入补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过
g m2 GB CC
从而可直接求得输入晶体管M2的宽长比 2 g m W `2 L2 K I 2 5

20
西安电子科技大学
两级CMOS运算放大器的设计步骤（3）
下面利用共模电压范围（低电平）计算M5的饱和电压：
I5 VDS 5 Vin(min) VT 1(max) 1
Z
15
g m CC
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三、两级运放的设计方法

第一步根据用途和要求选择和确定运放的基本结构，做出一个描述全部晶体管互连的图。一般情况下，结构在整个设计过程中是保持不变，但有时需要调整一下结构来改变某些方面的特性。一旦结构选好之后，就必须确定电路的直流电流，然后开始计算晶体管和补偿元件的大小，大部分工作是在第二步完成的，所作的工作是仔细计算器件的尺寸以满足设计的交流和直流要求。在设计之前需要考虑以下几个方面的条件：（1）工艺要求（VT，K’，Cox 等）；（2）电源电压、电流及其范围；（3）工作温度和范围；设计运算放大器时主要的一些参数如下：（1）直流开环增益AV；（2）增益带宽GB；（3）建立时间Tset；（4）转换速率SR；（5）共模输入范围CMR；（6）共模抑止比CMRR；（7）电源抑制止比PSRR；（8）输出电压摆幅；（9）失调及噪声

16
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三、两级运放的设计方法

设计运放之前需要确定的电学参数(可选)：
17
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两级CMOS运算放大器的一些重要公式
18
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两级CMOS运算放大器的设计步骤（1）
设计步骤从选定电路中所用MOS器件的长度入手，此长度决定了沟道长度调制
参数，这是计算增益必不可少的参数。选定了标准MOS晶体管器件长度后，下一步是确定最小补偿电容CC，配置一个比GB高2.2倍的负载极点P2可得到 60度的相位裕度，即极点和零点的位置要求CC的最小值为(设Z>10GB)
用共模电压范围（高电平）来确定M3的宽长比，即
W L
3

` K3 V DD Vin(max) VT 03

I5
max
VT 1(min)

2
如果(W/L)3的值小于1，就必须增加此值并使W和L乘积最小，这是为了减小了栅区的面积，也减小了栅电容。此电容会影响极点－零点对，使相位裕度减小一点。从CC和GB的表达式来确定输入晶体管的跨导，可以用下面方程来计算跨导gm2
23
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运放的性能与器件、电流之间的关系
漏极电流 I5 增大直流增益增大GB 增大RHP零点增大SR 增大 CL ↑ ↓1/2 ↑1/2 ↑1/2 I7 ↓1/2 M1和M2 W/L ↑1/2 ↑1/2 ↑1/2 L ↑ M3和M4 L ↑ M6 W/L ↑1/2 M7 L ↑ ↓ ↓ ↓ ↑ 补偿电容 CC
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Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design --两级CMOS运算放大器设计
西安电子科技大学微电子学院刘帘曦
1
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一、运放的概念、组成与电路结构

运算放大器（简称运放）是模拟电路和混合信号电路中最主要的电路
模块之一。将运算放大器配以各种辅助电路，则可以实现对输入信号
22
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两级CMOS运算放大器的设计步骤（5）
运放平衡时有：I5=I6=I7，因此可得：
W L W L II
7 5
6 5
最后检查运放的总增益和运放功耗：
2 g m 2 g m6 AV I 5 2 3 I 6 6 7
如果增益太低，许多参数还可再做调整。
1 RII C II
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有补偿两级运放的小信号模型
一般情况下，两个极点相距比较近，使运放的相位裕度小于45º ，从而导致运
放工作不稳定，因此在应用中必须进行补偿。
补偿电容CC的作用是削弱主极点的影响而扩大运放的频宽，由于补偿电容CC的引入，运放的传输函数变为
Vout (s) gm gm R R (1 sCC gm ) Vin (s) 1 s R ( CC ) R (C CC ) g m R RCC s 2 R R CC CCC CCC
A0'' Vout ( s) gm1R1 g m R'' 传输函数： Vin (s) ( s ' )( s ' ) ( s ' )( s ' )
13
1 ` P 两个极点的位置： I RI C I
` PII
直流仿真（DC）：直流分量与电路参数的关系交流仿真（AC）：频率与电路参数的关系
25
西安电子科技大学
四、两级运放的仿真包含内容
对运放的仿真主要包含以下方面的内容：
开环增益和相位裕度（AV &PM）共模输入电压范围（VIC）
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I5
` K5 VDS 5 2
要得到60度的相位裕度，应假设负载极点位于GB的2.2倍处。由此及p2关系式，可求出跨导gm6：
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C g m 6 2.2 g m 2 LC C
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两级CMOS运算放大器的设计步骤（4）
计算I6：
要根据输出电压范围来调整S6，保证M6饱和。
上述条件也等价为：
Arg A( jw0dB )F ( jw0dB ) Arg L( jw0dB ) 0
其中ω0定义为：
A jw0 dB F jw0 dB L( jw0 dB ) 1
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波特图
1、幅频曲线中，每经过一个极点ωP(零点ωZ)，曲线斜率以-20dB/dec (+20dB/dec )变化。 2、相频曲线中，相位在0.1ωP(0.1ωZ)处开始变化，每经过一个极点ωP(零点 ωZ)，相位变化-45° (±45°)，相位在10ωP(10ωZ)处变化-90° (±90°) 3、一般来讲，极点 (零点)对相位的影响比对幅频的影响要大一些。
的放大、微分、积分、求积、对数等运算功能；

理论上说，运放的差模电压增益为无限大，输入阻抗也是无限大，输
出阻抗为零，但实际的运放的性能只能接近这些值；

运放作为一种有足够正向增益的放大器，当加上负反馈时，其闭环转移函数与运放增益无关；
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CMOS运算放大器的基本分类

两级CMOS运算放大器套筒式共源共栅CMOS运算放大器（单级）折叠共源共栅CMOS运算放大器（单级） Rail-to-Rail CMOS运算放大器 Chopper CMOS运算放大器

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两级CMOS运算放大器设计
一、两级运放的概念、组成与电路结构二、两级运放的频率补偿三、两级运放的一般设计方法四、两级运放的仿真和测试五、两级运放的版图设计
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两级CMOS运算放大器的提出

差分放大器可以称为一级运算放大器，其电路的增益由输入对管的跨
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两个极点变为
p
1 g m R RCC