CMOS运放的优化设计
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CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS运算放大器的优势
CMOS运算放大器具有低功耗、高集成度、宽频带和良好的温度稳定性等优点。 相较于其他类型的运算放大器，如双极型和MOSFET型，CMOS运放具有更低的功耗 和更高的集成度，使得它在便携式设备和嵌入式系统中的应用具有显著优势。
CMOS低功耗运算放大器的设计 考虑因素
设计CMOS低功耗运算放大器时，需要考虑以下几个关键因素：
随着科技的不断发展，电子设备对高性能运算放大器的需求日益增长。其中， CMOS多级运算放大器因其高精度、低功耗、高稳定性等优点，被广泛应用于各种 模拟电路中。本次演示将探讨高性能CMOS多级运算放大器的研究与设计。
一、CMOS多级运算放大器概述
CMOS多级运算放大器是一种复杂的模拟电路，其性能由其增益、带宽、电源 抑制比、共模抑制比等因素决定。在CMOS工艺中，通过多级的放大级联，可以实 现更高的放大倍数和更低的噪声。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
01 引言
03 研究方法
目录
02 文献综述 04 参考内容
引言
随着科技的不断发展，运算放大器在各种应用领域中的作用越来越重要。特 别是在复杂电子系统中，高性能运算放大器的设计和应用更是不可或缺。CMOS技 术由于其低功耗、高集成度和易于规模化的优点，成为了高性能运算放大器设计 的首选。本次演示将重点探讨CMOS高性能运算放大器的设计与研究。
3、仿真与优化
在设计和版图完成后，需要通过仿真软件对电路进行仿真，以验证其性能是 否满足设计要求。如果性能不满足要求，需要对电路和版图进行优化。优化的目 标通常包括提高增益、提高带宽、降低电源抑制比、降低噪声等。
三、高性能CMOS多级运算放大 器的应用
高性能CMOS多级运算放大器因其优异的性能被广泛应用于各种模拟电路中， 如放大器、比较器、模拟乘法器、模拟加减法器等。同时，在通信、雷达、音频 处理、图像处理等领域，高性能CMOS多级运算放大器也有着广泛的应用。
0.18um数字cmos工艺下的高增益运算放大器设计
0.18um数字cmos工艺下的高增益运算放大器设计
在0.18um数字CMOS工艺下，设计高塔益运算放大器需要考虑到各种因素。
以下是一些设计考虑和技术要素:
1.确定设计目标:首先需要确定设计高增益运算放大器的目标，例如放大器的增益、带宽、功耗等。
这些目标将直接影响设计的选择和决策。
2.选择台适的放大器架构:根据设计目标，选择合适的放大器架构。
例如，可以采用两级或三级放大器架构,以实现较高的增益和带宽。
3.优化输入和输出阻抗:输入和输出阻抗是影响放大器性能的重要因素。
通过优化输入和输出阻抗，可以提高放大器的增益、带宽和线性度。
4.考虑电源电压和功耗:在数字CMOS工艺下，电源电压和功耗是必须要考虑的因素。
通过优化电路设计和选择台适的器件。
可以降低功耗并提高电源效率。
5.考虑工艺偏差和失配:在数字CMOS工艺中，由于制造工艺的偏差和失配，会影响放大器的性能。
因此，在设计时需要考虑到这些因素，并采取相应的措施进行补偿和调整。
6.进行仿真和测试:在设计完成后，需要进行仿真和测试以验证设计的正确性和性能。
通过仿真和测试，可以发现并解决设计中存在的问题，并进行优化和改进。
总之。
在0.18um数字CMOS工艺下设计高增益运算放大器需要综合考虑各种因素。
并进行优化和调整。
通过不断改进和迭代，可以获得高性能、可靠性的放大器设计。
制表：审核：批准：。
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着集成电路技术的飞速发展，CMOS（互补金属氧化物半导体）高性能运算放大器在电子系统中的应用越来越广泛。
其高精度、低噪声、低功耗等特性使得它在信号处理、数据采集、通信等领域发挥着重要作用。
因此，对CMOS高性能运算放大器的研究与设计具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、CMOS运算放大器的基本原理CMOS运算放大器是一种基于CMOS工艺的放大器，其基本原理是利用CMOS管的电压控制电流特性，将输入信号进行放大并输出。
CMOS运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声、低失真等优点，因此在各种电路中得到了广泛应用。
三、高性能CMOS运算放大器的设计要求高性能CMOS运算放大器的设计要求主要包括以下几个方面：1. 高增益：放大器应具有较高的增益，以保证信号的放大效果。
2. 低噪声：放大器的噪声应尽可能低，以保证信号的信噪比。
3. 高精度：放大器的精度应满足应用需求，以保证信号的准确性。
4. 低功耗：在保证性能的前提下，应尽可能降低功耗，以延长电池寿命或减少散热需求。
5. 稳定性：放大器应具有良好的稳定性，以避免自激振荡等问题。
四、CMOS高性能运算放大器的设计方法CMOS高性能运算放大器的设计方法主要包括以下几个方面：1. 选择合适的CMOS工艺：根据应用需求选择合适的CMOS 工艺，以保证器件的性能和可靠性。
2. 设计合理的电路结构：根据设计要求，设计合理的电路结构，包括输入级、输出级、中间级等。
3. 优化电路参数：通过优化电路参数，如增益、带宽、相位裕度等，以提高放大器的性能。
4. 采用低噪声设计技术：采用低噪声设计技术，如噪声匹配、噪声整形等，以降低放大器的噪声。
5. 仿真与测试：通过仿真与测试，验证设计方案的正确性和可行性。
五、CMOS高性能运算放大器的实例设计以一款二阶CMOS运算放大器为例，介绍其设计过程。
首先，根据应用需求确定放大器的性能指标，如增益、带宽、噪声等。
《2024年CMOS高性能运算放大器研究与设计》范文
《CMOS高性能运算放大器研究与设计》篇一一、引言随着电子技术的飞速发展，运算放大器（Op-Amp）在信号处理和数据分析中的应用越来越广泛。
在众多类型的运算放大器中，CMOS（互补金属氧化物半导体）高性能运算放大器因其低功耗、高速度和高精度的特性而备受关注。
本文旨在研究并设计一款CMOS高性能运算放大器，以适应现代电子系统的需求。
二、CMOS运算放大器的基本原理与特点CMOS运算放大器利用互补金属氧化物半导体技术，通过P 型和N型晶体管的组合，实现高精度、低噪声和低功耗的信号处理。
其基本原理是通过差分输入和共源共栅放大的方式，实现信号的放大和传输。
CMOS运算放大器具有以下特点：1. 高精度：由于采用差分输入方式，CMOS运算放大器具有较高的共模抑制比（CMRR），能够有效抑制共模噪声。
2. 低噪声：CMOS器件的噪声性能优异，能够满足低噪声信号处理的需求。
3. 低功耗：CMOS器件具有较低的电压摆幅和较低的静态电流，从而实现低功耗设计。
三、高性能CMOS运算放大器的设计要求为了满足现代电子系统的需求，高性能CMOS运算放大器的设计应遵循以下要求：1. 宽动态范围：能够处理大信号输入范围，并保持较高的增益和精度。
2. 高带宽：具备较快的响应速度，以适应高速信号处理的需求。
3. 低噪声：在保持高增益的同时，尽可能降低噪声性能，提高信噪比。
4. 低功耗：在保证性能的前提下，尽可能降低功耗，延长电池使用寿命。
四、CMOS高性能运算放大器的设计方法针对上述设计要求，本文提出以下设计方法：1. 优化电路结构：采用差分输入、共源共栅放大的电路结构，提高电路的对称性和稳定性。
同时，通过优化晶体管尺寸和偏置电流，提高电路的增益和带宽。
2. 降低噪声性能：通过优化电路布局、减小晶体管失配以及采用低噪声器件等方法，降低电路的噪声性能。
3. 降低功耗：采用低电压摆幅和低静态电流的设计方法，降低电路的功耗。
同时，通过优化偏置电路和电源管理策略，进一步提高功耗性能。
CMOS运算放大器的设计及其优化方法研究的开题报告
CMOS运算放大器的设计及其优化方法研究的开题报告一、研究的背景和意义随着模拟电路在各个领域的应用越来越广泛，基于CMOS工艺的运算放大器的研究和优化已成为当前模拟电路领域的热点问题。
CMOS技术具有集成度高、功耗低、可靠性高等优势，因此被广泛应用于模拟集成电路设计中。
运算放大器是模拟电路中最基本的电路之一，广泛应用于数据转换、信号处理、滤波等方面，因此对CMOS运算放大器的研究和优化意义重大。
二、研究的内容和目标本研究旨在设计一种基于CMOS工艺的运算放大器电路，并对其进行优化。
具体研究内容如下：1. CMOS运算放大器的基本原理和电路设计方法。
2. 对CMOS运算放大器的各项性能参数进行优化，如增益、带宽、稳定性等。
3. 通过仿真工具对所设计的CMOS运算放大器进行性能测试和验证。
三、研究的方法和流程本研究将采用以下步骤进行：1. 确定所要设计的CMOS运算放大器的电路结构和参数。
2. 通过电路仿真软件对所设计的CMOS运算放大器进行仿真和性能测试，包括增益、带宽、稳定性等参数，找出其性能瓶颈。
3. 针对CMOS运算放大器的性能瓶颈，采用不同的设计方法和技巧进行优化，如电源抑制方法、调制抑制方法等。
4. 对优化后的CMOS运算放大器进行仿真和性能测试，验证优化的效果。
5. 最终确定所设计的CMOS运算放大器的性能指标，并进行总结和分析。
四、预期成果和意义通过本研究设计出具有高性能的CMOS运算放大器，并通过优化提高其增益、带宽和稳定性等参数，具有实际应用意义和经济价值。
同时，本研究对于进一步推进模拟集成电路的技术发展，促进我国电子科技的发展和提高我国电子产业的竞争力也具有积极意义。
折叠式共源共栅cmos运算放大器的设计与优化
折叠式共源共栅cmos运算放大器的设计与优化下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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CMOS 运算放大器设计优化方法研究
其中 f1 ,..., f m 是多项式函数， g1 ,..., g m 是单项式函数。 许多变形的多项式函数也是应用非常广泛的。例如，假定 f 是一个多项式函数， g 是 一个单项式函数，那么约束不等式 f ( x) ≤ g ( x) 可以表示为
f ( x) f ( x) ≤ 1 ，因为 是一个多 g ( x) g ( x)
4
博士生学位专业课程—VLSI 设计方法
作者：唐长文
h( y ) = log( f (e y1 ,..., e y 2 )) = log(∑ eak y +bk )
T
t
k
其中 ak = [α1k ,..., α nk ] ， bk = log ck 。显然， h 是关于新变量 y 的凸函数
T
我们可以将标准的几何优化问题转换称如下所示的凸优化问题， minimize subject to
log f 0 (e y1 ,..., e yn ) log f i (e y1 ,..., e yn ) ≤ 0,
i = 1,..., m,
log gi (e y1 ,..., e yn ) = 0 ， i = 1,..., p,
这就是所谓的指数型几何优化问题。我们能够使用有效的内点方法（Interior-point method） 来求解，而且求解有完善的二元性，灵敏度理论依据。 2. 敏感度分析 如下所示，修改几何优化问题的约束式子的右端， minimize subject to
v
否对目标函数有影响，指导我们如何来调整约束来达到好的优化结果。
6
博士生学位专业课程—VLSI 设计方法
作者：唐长文
三、两级运算放大器
我们根据运算放大器设计要求（单位增益带宽、相位裕量、输入等效噪声、面积、功耗 等） ， 通过 CMOS 运算放大器设计一般步骤得到所有设计约束条件不等式、 等式和目标函数。 1. 直流增益 Adm 图 1. CMOS 运算放大器存在两级： （1） 、差分放大器（M1&M2&M3&M4） ； （2） 、共源 放大器 (M6&M7) 第一级增益 第二级增益
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器研究与设计摘要：本文针对CMOS高性能运算放大器的研究与设计进行了探讨。
首先介绍了运算放大器的概念及其在集成电路中的重要性。
随后分析了CMOS技术在运算放大器设计中的优势与挑战。
接着详细讨论了运算放大器的基本电路结构，并针对不同参数要求进行了优化设计。
最后，通过仿真和实验验证了设计的可行性和性能。
一、引言运算放大器（Operational Amplifier，简称Op Amp）是集成电路中一种非常重要的器件。
它具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等特点，在模拟信号处理、电压比较和滤波等应用中起着关键作用。
随着集成电路技术的发展，CMOS技术成为制作运算放大器的主流方法，其功耗低、噪声小、工艺成熟等优势使得CMOS运算放大器被广泛应用于各种电子系统中。
二、CMOS技术在运算放大器设计中的优势与挑战CMOS技术在运算放大器设计中具有以下优势：首先，它可以实现低功耗设计，适用于电池供电的便携设备；其次，CMOS工艺具有较高的集成度和可靠性，能够实现多功能集成电路的设计；另外，CMOS工艺可实现高增益和高输入阻抗，使得运算放大器在模拟电路中的应用更加广泛。
然而，CMOS技术在运算放大器设计中也面临一些挑战。
首先是增益带宽积（GBW）的限制，由于工艺和电源电压的限制，CMOS运算放大器的GBW相对较低。
此外，温度对CMOS器件的影响较大，容易引起性能参数的变化。
因此，为了提高CMOS运算放大器的性能，需要进行精确的电路设计和优化。
三、CMOS运算放大器的基本电路结构CMOS运算放大器的基本电路结构包括差分放大器和输出级。
差分放大器用于放大输入信号，并实现电路的增益特性，而输出级则用于驱动负载。
差分放大器由一个共模抑制电路、输入级和中间级组成。
其中，共模抑制电路可以有效降低共模信号的干扰，保证运算放大器的差模增益。
输入级则起到放大信号的作用，中间级则用于增大电压幅度。
四、运算放大器设计的优化方法在设计CMOS运算放大器时，需要根据具体应用的要求进行参数优化。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器研究与设计一、本文概述随着现代电子技术的飞速发展，高性能运算放大器（Operational Amplifier，简称运放）作为电子系统的核心元件，其性能对整个系统的性能有着至关重要的影响。
特别是互补金属氧化物半导体（CMOS）技术下的高性能运算放大器，因其低功耗、高集成度、优良的温度稳定性和较小的噪声特性等优点，在模拟信号处理、通信、医疗仪器、测试测量等领域有着广泛的应用。
本文旨在深入研究CMOS高性能运算放大器的设计与实现技术，分析影响其性能的关键因素，探索提升性能的有效方法。
文章将首先回顾CMOS运算放大器的发展历程，分析其基本工作原理和性能指标。
然后，将重点探讨CMOS高性能运算放大器的电路设计技术，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路等关键部分的设计原则和实现方法。
文章还将讨论CMOS运算放大器的噪声优化、功耗优化和稳定性提升等关键技术，并给出具体的设计实例和实验结果。
本文的目标是为CMOS高性能运算放大器的设计者提供一套完整的设计理念和方法论，帮助他们在满足性能要求的实现更低的功耗、更小的面积和更高的可靠性。
也希望通过本文的研究，能够为CMOS 运算放大器的发展和应用提供新的思路和方向。
二、CMOS运算放大器的基本原理运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种广泛应用于模拟信号处理电路中的核心元件，它能在宽频率范围内提供高放大倍数、高输入阻抗和低输出阻抗。
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）运算放大器则是以CMOS工艺制造的运算放大器，具有低功耗、低噪声和高集成度等优点，因此在现代电子系统中得到了广泛应用。
CMOS运算放大器的基本原理主要基于差动放大电路和反馈网络。
差动放大电路由两个结构相同、性能对称的晶体管构成，通过差分输入信号控制两个晶体管的导通程度，从而实现信号的放大。
CMOS高性能运算放大器研究与设计
CMOS高性能运算放大器研究与设计CMOS高性能运算放大器研究与设计摘要：运算放大器(Operational Amplifier, 简称Op-Amp)作为模拟电路设计中重要的基础器件之一，在信号处理和电路控制中发挥着重要作用。
本文针对CMOS高性能运算放大器进行了深入的研究和设计，旨在提高其性能指标，以满足当前高速高精度模拟电路设计的需求。
1. 引言随着科技的不断发展，模拟电路的应用范围越来越广泛。
而运算放大器作为模拟电路中重要的核心器件之一，能够对输入信号进行放大、滤波、整形等各种处理，被广泛应用于滤波器、功率放大器、传感器信号处理等领域。
CMOS技术作为当前集成电路设计中主流技术，具有高集成度、低功率消耗等优势，因此使用CMOS工艺实现高性能运算放大器成为了研究的热点。
2. CMOS运算放大器的基本结构CMOS运算放大器主要由差分对和级联放大器组成。
其中，差分对由两个相对副输入端的输入晶体管和两个负载电阻组成，起到输入信号的差分放大作用。
级联放大器由若干个共源共栅放大器级联组成，主要负责增益放大。
3. 高性能运算放大器的性能指标高性能运算放大器的性能指标包括增益、带宽、输入输出阻抗、共模抑制比、失调电压等。
为了提高运算放大器的性能，需要在设计过程中对这些参数进行优化。
4. 运算放大器的失调问题及校正方法在实际应用中，由于工艺制程等因素的不确定性，运算放大器存在失调问题，即输入零点漂移、增益漂移等。
为了解决这些问题，研究人员提出了多种校正方法，如自校正技术、校正电路等。
5. 带宽增强技术带宽是运算放大器的另一个重要性能指标，直接影响其高频响应能力。
为了增强运算放大器的带宽，可以采用多级放大器结构、瞬态电流技术等方法。
6. 降低功耗的技术随着电池技术的发展，对于功耗的要求越来越高。
为了降低运算放大器的功耗，可以采用互补折叠差分电流源技术、动态偏置电流源技术等方法。
7. CMOS运算放大器的应用CMOS高性能运算放大器在模拟电路设计中具有广泛的应用，如滤波器、传感器信号处理、音频放大器等。
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在二级运放的设计过程中，为使相位裕度达到指标要求，需要利用频率补偿。 本文采用的是 RC 密勒补偿，如图 1.1 所示。此补偿电路将把运放的输入极点往 低频处推，而且将引入一个零点。通过计算，可以调整电阻 R 的取值，将零点 移到左半平面，而且使零点略大于单位增益带宽，使得运放的相位裕度得到提高。
C
： ≥ 80dB ： ≤ 300nV/rt Hz : ≤ 0.5mV
@1KHz
4
§2.1 电路结构
CMOS 运放的优化设计
第二章 二级运算放大器的设计
M8
M10 M12
Rb
VDD
M9
M5
M1
M2
M11
M13 M3
M4
M7
Cc
M1
CL
M6
图 2.1 二级运放 二级运放的电路结构如图 1.1 所示。M1~M5 为差分输入级，M6 M7 为 输出级，M8~M13 以及电阻 RB 为偏置电路。M14 作为线性电阻与 Cc 作为补 偿电路。
§1.1 运算放大器设计概述
集成电路一般分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，两类电路的设计方 法不尽相同。近年来，随着 SOC 的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用， 并且其相关技术飞速进步。然后，模拟电路仍然被证明具有强大的生命力，其相 关的设计技术仍然处于不断的深化和完善之中。
集成模拟电路设计和分立元件的模拟电路设计有显著的区别。采用分立元件 的模拟电路所用的有源和无源器件并不都制造在同一块衬底上，而集成化的电路 则是做在同一块芯片上的，所有有源无源器件的几何形状、尺寸何位置都在集成 电路设计师的支配和控制之下，赋予设计师更大的自由度。其次，集成电路设计 师不可能通过搭电路板来检验设计结果，而只能通过计算机模拟的方法确认他的 设计是否达到要求。第三，集成电路设计师在设计电路时受到工艺条件的约束， 必须与当时的工艺水平相兼容[2]。
运算放大器，简称运放，是模拟电路中最为通用和基础的模块。运放一般由 四部分构成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。本文所设计的运放采用 两级结构，其中第二章采用的是双端输入，单端输出，偏置电路采用常跨导结构； 第三章采用的是双端输入双端输出的全差分结构，其中在输入级中运用了双共源 共栅（cascode）结构，通过提高输出阻抗达到了提高增益的效果，并且利用双 端输出，提高了共模抑制比和电源抑制比。
CMOS 运放的优化设计
目录
摘 要 .......................................................................................... 2 第一章 绪论 ............................................................................... 3
1
CMOS 运放的优化设计
摘要
集成电路的诞生至今已有四十年了，1958 年美国德州仪器公司（TI）研制 成功世界上第一块数字集成电路，由此宣告电子工业进入了集成电路时代。近年 来，集成电路产业方兴未艾，目前已经发展到系统级芯片（SOC）阶段。随着 CMOS 工艺的进步，CMOS 电路由于其低成本、低功耗以及速度的不断提高， 已经成为集成电路工艺的主流。虽然目前数字电路飞速发展，数字信号的优越性 在通信等领域得到了淋漓尽致的体现，DSP 芯片得到了广泛的应用，受到了市场 的追捧。由于自然界本身的信号基本上都是模拟的，所以模拟电路作为 SOC 的 一部分，作为数字处理芯片与真实世界的接口，已经显示出其突出的重要性。而 且，模拟电路由于其设计的复杂性，成为整个系统级芯片设计的瓶颈。而运放作 为模拟电路最重要最通用的模块，其设计一般包括以下几个步骤：确定设计要求； 设计或综合；仿真；几何版图设计；版图后仿真；流片；测试[2]。本文中对于 运放的设计只完成前三个步骤。即在确定运放设计规范要求的基础上，通过分析 性能参数与晶体管几何参数的关系，计算出各晶体管的宽长比，进而通过 hspice 软件仿真，确定设计的可行性。在设计中，为使设计得到的运放能够在稳定工作 并且符合设计要求，还涉及到相位补偿、共模负反馈等问题。
R
图 1.1 RC 密勒补偿
3
CMOS 运放的优化设计
在第三章全差分输入双端输出运放的设计中，由于输出点的共模电平不确 定，为使运放能够正常工作，需要给运放加上共模反馈电路。共模负反馈有以下 几点要求［3］：
◆开环增益足够大，最好能与差分开环增益相当； ◆单位增益带宽足够大，最好能接近差分单位增益带宽； ◆要有足够的相位裕度，要求回路补偿 ◆共模信号检测电路要有很好的线性特性 ◆与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的。 共模负反馈的具体实现见第三章。
§2.2 性能分析
1．增益 ：
差分级
AV 1
=
g m1
g 02
1 +
g 04
共源级
AV 2
=
gm6
g 06
1 +
g 07
运放总增益
AV
= g m1 g m6
g 02
1 + g 04
1 g 06 + g 07
= 2Cox (λn + λ p )2
µn µ pW1W6 I1I 6 L1L6
2．频响特性：
： (VDD + VSS ) / 2
： ⎡⎣0.1(VDD −VSS ), 0.9 (VDD −VSS )⎤⎦
： ≤ 2 mW ： ≥ 80dB ： ≥ 40MHz ： ≥ 60D
◆ 转换速率 ◆ 共模抑制比 ◆ 负电源抑制比 ◆ 等效输入噪声 ◆ 输入失调电压
： ≥ 30V/ µs ： ≥ 60dB
输入噪声可忽略，差分级产生的等效输入噪声包括热噪声和 1/f 噪声[1]
S
2 n
=
3
16kT
[1 +
2µ
p Cox
W (
L
)1 I1
µn
(W L
)3
]
+
2K p
[1 + K n µn L12 ]
µ
p
W (
L
)1
Cox (WL)1 f
K p µ p L23
4．静态功耗：
P = (VDD − VSS )(I8 + I 9 + I5 + I 7 )
R01
=
g 02
1 +
g 04
R02
=
g 06
1 +
g 07
5
CMOSБайду номын сангаас运放的优化设计
共源级传递函数
H (s) =
[1 −
g m6 (Ron14
+
1 sCc
)]
g m6 R01
+1+( 1 R02
+ sCL )(R01
+
Ron14
+
1 )
sCc
零点： ω z
=
1 ( g m6
1 − Ron14 )Cc
§1.1 运算放大器设计概述 .............................................. 3 §1.2 设计目标和性能参数要求 ...................................... 4 第二章 二级运算放大器的设计 ............................................... 5 §2.1 电路结构 .................................................................. 5 §2.2 性能分析 .................................................................. 5 §2.3 手工计算几何参数 .................................................. 7 §2.4 性能参数的理论计算值 ........................................ 10 §2.5 hspice 仿真............................................................. 11 §2.6 理论和仿真的对照 ................................................ 15 第三章 全差分结构运算放大器设计 .................................. 16 §3.1 电路结构 ................................................................ 16 §3.2 性能分析 ................................................................ 16 §3.3 手工计算几何参数 ................................................ 20 §3.4 性能参数的理论计算值 ........................................ 26 §3.5 hspice 仿真............................................................. 27 §3.6 理论和仿真的对照 ................................................ 31 第四章 结论和分析 ............................................................ 32 参考文献： .............................................................................. 33 致 谢 ...................................................................................... 33
C
： ≥ 80dB ： ≤ 300nV/rt Hz : ≤ 0.5mV
@1KHz
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§2.1 电路结构
CMOS 运放的优化设计
第二章 二级运算放大器的设计
M8
M10 M12
Rb
VDD
M9
M5
M1
M2
M11
M13 M3
M4
M7
Cc
M1
CL
M6
图 2.1 二级运放 二级运放的电路结构如图 1.1 所示。M1~M5 为差分输入级，M6 M7 为 输出级，M8~M13 以及电阻 RB 为偏置电路。M14 作为线性电阻与 Cc 作为补 偿电路。
§1.1 运算放大器设计概述
集成电路一般分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，两类电路的设计方 法不尽相同。近年来，随着 SOC 的发展，混合信号集成电路得到了广泛应用， 并且其相关技术飞速进步。然后，模拟电路仍然被证明具有强大的生命力，其相 关的设计技术仍然处于不断的深化和完善之中。
集成模拟电路设计和分立元件的模拟电路设计有显著的区别。采用分立元件 的模拟电路所用的有源和无源器件并不都制造在同一块衬底上，而集成化的电路 则是做在同一块芯片上的，所有有源无源器件的几何形状、尺寸何位置都在集成 电路设计师的支配和控制之下，赋予设计师更大的自由度。其次，集成电路设计 师不可能通过搭电路板来检验设计结果，而只能通过计算机模拟的方法确认他的 设计是否达到要求。第三，集成电路设计师在设计电路时受到工艺条件的约束， 必须与当时的工艺水平相兼容[2]。
运算放大器，简称运放，是模拟电路中最为通用和基础的模块。运放一般由 四部分构成，包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。本文所设计的运放采用 两级结构，其中第二章采用的是双端输入，单端输出，偏置电路采用常跨导结构； 第三章采用的是双端输入双端输出的全差分结构，其中在输入级中运用了双共源 共栅（cascode）结构，通过提高输出阻抗达到了提高增益的效果，并且利用双 端输出，提高了共模抑制比和电源抑制比。
CMOS 运放的优化设计
目录
摘 要 .......................................................................................... 2 第一章 绪论 ............................................................................... 3
1
CMOS 运放的优化设计
摘要
集成电路的诞生至今已有四十年了，1958 年美国德州仪器公司（TI）研制 成功世界上第一块数字集成电路，由此宣告电子工业进入了集成电路时代。近年 来，集成电路产业方兴未艾，目前已经发展到系统级芯片（SOC）阶段。随着 CMOS 工艺的进步，CMOS 电路由于其低成本、低功耗以及速度的不断提高， 已经成为集成电路工艺的主流。虽然目前数字电路飞速发展，数字信号的优越性 在通信等领域得到了淋漓尽致的体现，DSP 芯片得到了广泛的应用，受到了市场 的追捧。由于自然界本身的信号基本上都是模拟的，所以模拟电路作为 SOC 的 一部分，作为数字处理芯片与真实世界的接口，已经显示出其突出的重要性。而 且，模拟电路由于其设计的复杂性，成为整个系统级芯片设计的瓶颈。而运放作 为模拟电路最重要最通用的模块，其设计一般包括以下几个步骤：确定设计要求； 设计或综合；仿真；几何版图设计；版图后仿真；流片；测试[2]。本文中对于 运放的设计只完成前三个步骤。即在确定运放设计规范要求的基础上，通过分析 性能参数与晶体管几何参数的关系，计算出各晶体管的宽长比，进而通过 hspice 软件仿真，确定设计的可行性。在设计中，为使设计得到的运放能够在稳定工作 并且符合设计要求，还涉及到相位补偿、共模负反馈等问题。
R
图 1.1 RC 密勒补偿
3
CMOS 运放的优化设计
在第三章全差分输入双端输出运放的设计中，由于输出点的共模电平不确 定，为使运放能够正常工作，需要给运放加上共模反馈电路。共模负反馈有以下 几点要求［3］：
◆开环增益足够大，最好能与差分开环增益相当； ◆单位增益带宽足够大，最好能接近差分单位增益带宽； ◆要有足够的相位裕度，要求回路补偿 ◆共模信号检测电路要有很好的线性特性 ◆与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的。 共模负反馈的具体实现见第三章。
§2.2 性能分析
1．增益 ：
差分级
AV 1
=
g m1
g 02
1 +
g 04
共源级
AV 2
=
gm6
g 06
1 +
g 07
运放总增益
AV
= g m1 g m6
g 02
1 + g 04
1 g 06 + g 07
= 2Cox (λn + λ p )2
µn µ pW1W6 I1I 6 L1L6
2．频响特性：
： (VDD + VSS ) / 2
： ⎡⎣0.1(VDD −VSS ), 0.9 (VDD −VSS )⎤⎦
： ≤ 2 mW ： ≥ 80dB ： ≥ 40MHz ： ≥ 60D
◆ 转换速率 ◆ 共模抑制比 ◆ 负电源抑制比 ◆ 等效输入噪声 ◆ 输入失调电压
： ≥ 30V/ µs ： ≥ 60dB
输入噪声可忽略，差分级产生的等效输入噪声包括热噪声和 1/f 噪声[1]
S
2 n
=
3
16kT
[1 +
2µ
p Cox
W (
L
)1 I1
µn
(W L
)3
]
+
2K p
[1 + K n µn L12 ]
µ
p
W (
L
)1
Cox (WL)1 f
K p µ p L23
4．静态功耗：
P = (VDD − VSS )(I8 + I 9 + I5 + I 7 )
R01
=
g 02
1 +
g 04
R02
=
g 06
1 +
g 07
5
CMOSБайду номын сангаас运放的优化设计
共源级传递函数
H (s) =
[1 −
g m6 (Ron14
+
1 sCc
)]
g m6 R01
+1+( 1 R02
+ sCL )(R01
+
Ron14
+
1 )
sCc
零点： ω z
=
1 ( g m6
1 − Ron14 )Cc
§1.1 运算放大器设计概述 .............................................. 3 §1.2 设计目标和性能参数要求 ...................................... 4 第二章 二级运算放大器的设计 ............................................... 5 §2.1 电路结构 .................................................................. 5 §2.2 性能分析 .................................................................. 5 §2.3 手工计算几何参数 .................................................. 7 §2.4 性能参数的理论计算值 ........................................ 10 §2.5 hspice 仿真............................................................. 11 §2.6 理论和仿真的对照 ................................................ 15 第三章 全差分结构运算放大器设计 .................................. 16 §3.1 电路结构 ................................................................ 16 §3.2 性能分析 ................................................................ 16 §3.3 手工计算几何参数 ................................................ 20 §3.4 性能参数的理论计算值 ........................................ 26 §3.5 hspice 仿真............................................................. 27 §3.6 理论和仿真的对照 ................................................ 31 第四章 结论和分析 ............................................................ 32 参考文献： .............................................................................. 33 致 谢 ...................................................................................... 33