全差分共源共栅两级

一 毕业设计（论文）进展情况运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分,也是构成这些系统的基本单元. 因而设计高性能的运算放大器可以使系统的总体性能得到提高。

一、两级运算放大器分析两级CMOS 运算放大器的设计V DDV SSM1M2M3M4M5M6M7M8VnC LC cvoutvin1vin2irefxy3I d5两级CMOS 运算放大器1、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。

典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 边界条件要求工艺规范 见表2、3电源电压 %105.2±±V电源电流 100Μa 工作温度范围0~70°特性要求增益 dB 70≥增益带宽 ≥5MHz建立时间 s μ1≤ 摆率 s /5μV ≥ICMR ≥V 5.1± CMRR ≥60dB PSRR ≥60dB 输出摆幅 ≥V 5.1±输出电阻 无，仅用于容性负载失调 mV 10±≤噪声 ≤100Hz nV (1kHz 时) 版图面积≤50002)(最小沟道长度⨯ 表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性2、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。

目录1. 设计指标 (1)2. 运算放大器主体结构的选择 (1)3. 共模反馈电路（CMFB）的选择 (1)4. 运算放大器设计策略 (2)5. 手工设计过程 (2)5.1 运算放大器参数的确定 (2)5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2)5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3)5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3)5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3)5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3)5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3)5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4)5.1.8 确定偏置电压 (4)5.2 CMFB参数的确定 (4)6. HSPICE仿真 (5)6.1 直流参数仿真 (5)6.1.1共模输入电压范围（ICMR） (5)6.1.2 输出电压范围测试 (6)6.2 交流参数仿真 (6)6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6)6.2.2 共模抑制比（CMRR）的仿真 (7)6.2.3电源抑制比（PSRR）的仿真 (8)6.2.4输出阻抗仿真 (9)6.3瞬态参数仿真 (10)6.3.1 转换速率（SR） (10)6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11)7. 设计总结 (11)附录（整体电路的网表文件） (12)采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计1. 设计指标5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V VV V V VGB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mWµ>==−==>=±=−≤的范围2. 运算放大器主体结构的选择图1 折叠式共源共栅两级运算放大器运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。

从电路结构来看, 有套筒式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。

共源共栅两级运放的三种补偿结构分析和比较胡利志;乔明【摘要】提出了三种应用于两级CMOS运算放大器的米勒电容补偿结构，分析了三种结构的小信号等效电路，得到传递函数和零点、极点的位置，以此分析和实现三种结构的频率补偿。

其中两种共源共栅米勒补偿结构与直接米勒补偿结构相比，能用更小的芯片面积实现更优的运放性能，得到更大的单位增益带宽积和相位裕度，实现更好的频率特性。

通过使用0.18μm CMOS工艺对电路进行仿真，结果验证了共源共栅米勒补偿技术的优越性。

%Propose three miller capacitance compensation structures used for two-stage CMOS operational ampliifer, analyze three kinds of small-signal equivalent circuits, get the transfer function and zero and pole points and achieve the goal of frequency compensation. Compared with the traditional miller compensation, thetwo kinds of cascode miller compensation methods can achieve larger unity-gain bandwidth and phase margin and better frequency characteristic with smaller chip area. The circuits are simulated with 0.18μm CMOS process and the results show the superiority of cascode miller compensation technology.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】4页(P19-22)【关键词】米勒补偿;共源共栅;运算放大器【作者】胡利志;乔明【作者单位】电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054;电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN4321 引言运算放大器是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分，不同设计要求和复杂程度的运放被用来实现电路中的各种功能。

一毕业设计（论文）进展情况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。

GB GB GB ()()()p p z的相位裕量，所以2.2 10LC因此由补偿电容最小值即可以得到2m112'1g (/)(/)2/12N W L W L K I ==≅ 用负ICMR 公式计算5Dsat V 由式（12）我们可以得到下式15(min)IC SS GS Dsat V V V V =++如果5DS V 的值小于100mv ，可能要求相当大的5(/)W L ，如果5Dsat V 小于0，则ICMR 的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小5I 或者增大5(/)W L 来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们(min)IC V 等于-1.1V 为下限值进行计算152511(min)Dsat IC TN SS I V V V V β=---（）则可以得到的5Dsat V 进而推出555'2552(/)()Dsat S W L K V ==（I ）11/1≅即有58(/)(/)11/1W L W L =≅为了得到60°的相位裕量，6m g 的值近似起码是输入级跨导1m g 的10倍（allen 书p.211例6.2-1），我们设us g g m m 9421016==，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求46SG SG V V =，图中x ，y 点电位相同我们可以得到6644(/)(/)64/1m m gW L W L g ==进而由6662(/)m Pd g K W L I '=我们可以得到直流电流 22m6m667''6666g g 113.72(/)2d d I I A K W L K S μ==== 同样由电流镜原理，我们可以得到7755(/)(/)32/1d d IW L W L I ==3、仿真和测量 （1）DC 分析图2 VOUT 、M5管电流、M7管电流、Vx 与Vy 与输入共模电压变化的关系图4 测量共模输入范围的电路图图5 运放的输入共模电压范围从图中可以得到输入共模范围满足设计指标(-1V~2V)（3）测量输出电压范围在单位增益结构中，传输曲线的线性收到ICMR 限制。

全差分高增益放大器的设计一、设计产品名称全差分高增益放大器二、设计目的1.掌握模拟集成电路的基本设计流程；2.掌握Cadence基本使用方法；3.学习模拟集成电路版图的设计要点；4.培养分析、解决问题的综合能力；5.掌握模拟集成电路的仿真方法；6.熟悉设计验证流程方法。

三、设计内容全差分高增益放大器（Full-differential OTA）是一种非常典型的模拟IP, 在各类模拟信号链路、ADC.模拟滤波器等重要模拟电路中应用广泛, 是模拟IC 设计人员必需掌握的一种基础性IP 设计。

采用华大九天Aether 全定制IC 设计平台及其自带的0.18um PDK, 设计一款全差分高增益放大器电路, 完成电路图设计、前仿真、Layout 设计和物理验证（DRC&LVS）。

考虑以下OTA 架构：图1 OTA架构四、电路设计思路模拟集成电路的设计分为前端与后端, 设计流程可以分为明确性能要求、选择电路结构、计算器件参数、原理图绘制、前仿真、版图绘制、DRC设计规则检查、LVS版图与电路图一致性检查、寄生参数提取及后仿真、流片测试。

本次实验使用基于华大九天Aether 全定制IC 设计平台及其自带的0.18um PDK, 实现模拟集成电路全差分高增益放大器的全流程设计与仿真。

（1）性能指标:需要验证三种PVT Corner:a) 电源电压1.8V, 温度27℃, corner 为TT；b) 电源电压1.6V, 温度80℃, corner 为SS；c) 电源电压2.0V, 温度-40℃, corner 为FF；要求各Corner 下开环技术指标（含Cload=10fF）:①放大器开环DC 增益Av0≥90dB；②0dB 带宽BW0≥500MHz；③相位裕度Phase Margin≥50°。

④DC 抑制比PSRR-0≥60dB, （3*2=6 分）⑤10MHz 时抑制比PSRR-10M≥45dB。

共源共栅两级运放的补偿-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:共源共栅两级运放是一种常用的放大器电路，它由共源级和共栅级组成，具有高增益、低输入阻抗和宽带宽等优点。

然而，这种电路在实际应用中会存在一些问题，如频率响应不稳定、温度漂移大等。

为了解决这些问题，需要对共源共栅两级运放进行补偿。

本文将介绍两种常用的补偿方法，以提高运放电路的性能和稳定性。

通过对这些补偿方法的研究和应用，可以为电子工程师在实际设计中提供参考和借鉴。

json"1.2 文章结构":{"本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分介绍了文章的概述、结构和目的。

正文部分包括共源共栅两级运放的原理，以及两种补偿方法的介绍。

结论部分总结了本文的主要内容，展望了共源共栅两级运放的应用前景，并给出了结论。

"}1.3 目的本文旨在探讨共源共栅两级运放的补偿方法，通过分析其原理和现有的补偿方法，对比它们的优缺点，为工程师提供在实际设计中选择合适的补偿方法的参考依据。

同时，通过对共源共栅两级运放的补偿进行深入研究，可以更好地理解运放电路的工作原理，提高设计的准确性和稳定性。

最终，希望通过本文的分析，为工程师在实际项目中解决运放电路的补偿问题提供一定的帮助和启发。

2.正文2.1 共源共栅两级运放的原理共源共栅两级运放是一种常见的运放电路结构，由两级放大器级联而成。

在这种结构中，第一级是共源放大器，第二级是共栅放大器。

共源共栅结构的优点包括增益高、带宽宽、输入电阻大等。

在这种结构中，第一级的共源放大器起到了放大信号和提供输入阻抗的作用。

共源放大器的输入电阻高，可以有效地隔离输入信号源和第二级的共栅放大器，减少了输入端信号源的影响。

第二级的共栅放大器主要起到了增益放大和输出阻抗匹配的作用。

共栅放大器的输出电阻低，可以有效地驱动负载电路，同时提供稳定的输出信号。

整个运放电路的工作原理是：输入信号经过第一级的共源放大器放大，然后经过第二级的共栅放大器再次放大，最终输出到负载电路中。

全差分折叠共源共栅全差分折叠共源共栅（Fully Differential Folded Cascode）是一种常用的电路结构，在集成电路设计中被广泛应用。

它是一种运算放大器的结构，能够实现高增益、高带宽和高共模抑制比等优势。

全差分折叠共源共栅电路的基本结构由差分对、折叠电流镜、共源共栅级和输出级组成。

差分对由两个共源放大器组成，输入信号被分别接到两个共源放大器的栅极上。

折叠电流镜用来提供稳定的偏置电流，使得整个电路工作在恒流模式下。

共源共栅级由两个共源共栅放大器组成，其中一个作为主放大器，另一个作为负反馈放大器。

输出级由两个共栅放大器组成，输出信号由主放大器的漏极输出。

全差分折叠共源共栅电路具有以下优点。

首先，由于采用了全差分结构，能够有效抵消共模干扰，提高共模抑制比。

其次，折叠电流镜使得电路的输出电流与输入电流保持一致，增强了电路的线性度。

此外，共源共栅级和输出级的级联结构，使得电路具有较高的增益和带宽。

在实际应用中，全差分折叠共源共栅电路常用于模拟电路的设计，如运算放大器、滤波器等。

在运算放大器中，全差分折叠共源共栅电路能够实现高增益和高带宽，满足了信号放大和信号处理的需求。

在滤波器中，电路的高增益和高带宽能够提高滤波器的性能，使其具有更好的滤波效果。

然而，全差分折叠共源共栅电路也存在一些问题。

首先，由于电路结构复杂，布局和布线困难，对工艺要求较高。

其次，由于电路中存在多个级联放大器，噪声会被级联放大，影响电路的信噪比。

此外，电路的共模抑制比和增益对温度和工作电压的变化敏感，需要进行相应的补偿和校准。

全差分折叠共源共栅是一种常用的电路结构，在集成电路设计中具有重要的应用价值。

它通过差分结构、折叠电流镜、共源共栅级和输出级等组成，能够实现高增益、高带宽和高共模抑制比。

然而，电路的复杂结构和对工艺要求较高是需要注意的问题。

在实际应用中，需要根据具体的需求和设计要求，合理选择电路结构和参数，以获得最佳性能和可靠性。

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低电压高速ＣＭＯＳ全差分运算放大器设计作者：阮颖来源：《现代电子技术》2008年第11期摘要：设计了一种低压高速CMOS全差分运算放大器。

该运放采用了折叠式共源共栅放大结构、连续时间共模反馈电路以及低压宽摆幅偏置电路，以实现在高稳定性下的高增益带宽、大输出摆幅。

在Cadence环境下,基于TSMC 0.25 μm CMOS 标准工艺模型,对电路进行了spectre仿真。

在2.5 V电源电压下，驱动1 pF负载时，开环增益71.6 dB，单位增益带宽501 MHz，功耗4.3 mW。

关键词：折叠共源共栅;全差分;共模反馈中图分类号：TN432 文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)11-150-Design of a Low-Voltage and High Speed Fully Differential CMOS Op-Amp(Shanghai University of Electric Power,Shanghai,201300,China)Abstract：A low-voltage and high speed CMOS fully differential operational amplifier is designed.The operational amplifier based on the structure of folded cascade,a continuous time CMFB and a low-voltage and wide output swing bias circuit to obtain a high unity-gain bandwidth,a wide output-voltage swing.The operational amplifier is designed in a standard TSMC 0.25 μm CMOS process and simulated with spectre under Cadence environment.With a single 2.5 V power supply,the amplifier achieves a open-loop gain of 71.6 dB with a 501 MHz unity gain frequency and dissipats 4.3 MW power.Keywords：folded cascade;fully differential;CMFB;CMOS运算放大器（运放）作为数模转换器（ADC）、模数转换器（DAC）、开关电容滤波器、带隙电压基准源等电路系统的关键基本单元得到了广泛应用。

全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路的研究全差分套筒式共源共栅放大器是一种常用的放大器电路，可以用于增强信号的幅度和增加输出功率。

它具有高增益、低噪声和较大的输出功率等优点，被广泛应用于通信器材、音频放大器和高速数据传输等领域。

本文将详细介绍全差分套筒式共源共栅放大器的原理、特点以及常见的共模反馈电路。

全差分套筒式共源共栅放大器的原理是在输入端同时接入两个信号，一个信号经过源极耦合电容输入到栅极，另一个信号则经过栅极调制放大输出。

这种设计使得差模信号增益大，共模信号增益小，从而提高了放大器的性能。

同时，采用套筒式结构可以提供较大的输出功率，使得放大器在输出端有更大的动态范围。

全差分套筒式共源共栅放大器的特点有以下几个方面。

首先，由于共源共栅结构的存在，放大器具有较高的输入阻抗和输出阻抗，可以有效地减少信号传输的损耗。

其次，通过差模信号和共模信号的分离处理，放大器具有较低的噪声和失真。

此外，套筒式结构能够提供较大的输出功率，适合于高功率放大应用。

为了进一步提高放大器的性能，常常采用共模反馈电路。

共模反馈电路可以抑制共模干扰，提高放大器的共模抑制比，减少信号传输中的干扰和噪声。

一种常见的共模反馈电路是通过电阻和电容网络将共模信号的反馈接入到放大器的源极，通过控制源极电流的差异，来实现共模信号的抑制。

这种反馈电路能够有效地提高放大器的共模抑制比，提供更清晰的信号输出。

总之，全差分套筒式共源共栅放大器是一种具有高增益、低噪声和较大输出功率的放大器电路。

通过合理设计和优化，可以实现更好的性能和应用效果。

而共模反馈电路则进一步提高了放大器的性能，减少了信号传输中的干扰和噪声。

通过研究全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路，可以更好地应用于实际的工程设计和应用中。