带miller补偿的对称ota

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1、带MILLER补偿的二级运算放大器摘要本文设计了一个带MILLER补偿的二级运算放大器，并且对其进行了优化。本文设计的运算放大器中嵌入了一个对称的电流镜像电路，它具有一定能的电流放大能力。本文优化的二级运算放大器增加了一个可以补偿右半平面零点的电阻RZ，将零点移到左半平面，使其有较大的相位裕度。在SMIC0.18um工艺库下，4pF负载电容，在电源电压1.8V状态下，设计的电路性能为：直流增益57.45dB，单位增益带宽123.2MHz，相位裕度61.5度，转换速率80V/us，功耗1.75mW，优化的电路性能为：直流增益为78.0

2、3dB，GBW=163.2MHz，相位裕度为：68deg，而功耗为1.31mW。一、电路结构图1.电路图二、设计指标GBW100MHz开环增益≥50dB相位裕度60°负载电容CL4pFSlewRate100V/us工艺SMIC0.18um电源电压1.8V功耗2mW表1.设计目标一、电路分析：此电路结构是带MILLER补偿的二级运算放大器。Ibias为外加偏置电流源，M9为尾电流源，为跨导晶体管提供直流偏置。M1、M2组成差分输入管，将输入电压转换成输入电流。M3、M4、M5、M6组成电流镜，将M1、M2的电流放大B倍，M7、M8组成

3、电流镜负载将双端信号转换成单端信号，此部分可以认为是运放的第一级。M10、M11组成共源级放大电路，其中M10为跨导管，M11为负载管。M12、M13和M14以及M9和M11组成电流镜来提供偏置电流。CC为MILLER电容，用来分离主极点和非主极点，可以将原来存在于右半平面的零点移到左半平面，从而稳定相位裕度。1.电路计算公式推导忽略各个管子的寄生电容，可以得到小信号等效电路如图2所示。在此基础上我们很容易地得到：电路的开环增益为主极点次极点单位增益带宽为图2.小信号模型下面分析转换速率SR，在M2的输入端输入大的正向阶跃，M2截止

4、，M9的I9电流完全流经M1和M4，这个电路是静态工作电流的2倍，电流镜使得M5也流经的电流为B倍的I1，然后电流通过M8对电容Cc充电，在其两端产生一个电压梯度，斜率为＝，类似可以得到，而最终的SR为两者的最小值。相位裕度的大小由第二极点与单位增益带宽的比值决定，为了达到60度的相位裕度在计算时首先取这个值为3。1.电路参数计算负载电容CL=4pf，首先设定补偿电容CC为1pf。，。1)，CC为1pf，得到。2)同时因，得现在设定B为4，进而可以确定，3)确定了M1的跨导和电流进而可以确定PMOS晶体管M1的尺寸，，，。并且M1增

5、大将减小，将增加。1)外部的转换速率，SR为两者的最小值，同样设定外部转换速率，从而得到。2)为了满足一定的相位裕度，次极点设定为单位增益带宽的3倍，则，得到。并有上面的，从而，增大M10可以提高相位裕度，并且此时。3)确定M3、M4的尺寸。已知，，，可以得到，假如，由于电源电压为1.8V，，，再由饱和电流方程可以得到M3、M4的尺寸，。。1)M7、M8的尺寸影响1点的电压即，M10的电压和尺寸已经确定，从而计算得到，，这样在M7、M8上面的分压就很大，沟道长度调制效应影响比较严重，取并且，首次计算仍不考虑沟道长度调制效应，从而得到

6、。2)由（6），，得到，因为M9是偏置管设计中取这个比值为，来防止它对电路的限制，并且，M14的尺寸由偏置电流确定，偏置电流设为，M14和M9一样大小。设计开环增益放大倍数可以通过设计来实现，，已经确定，VE由工艺确定，所以主要通过调整沟道长度来设计放大倍数，但开环增益放大倍数要求不高，所以本设计的最小值180nm。目前为止电路中晶体管参数已经手工计算完成，总结得下表：晶体管尺寸(L=1时的W值)电流()M1、M21412.5M3、M4812.5M5、M63250M7、M82.3*50M9、M143225M10180500M1164

7、0500表2.手算参数注：M7，M8宽长比不是整数。一、电路仿真与参数调整用SMIC0.18工艺，工艺角为tt，环境温度27o，沟道长度设计为180nm。仿真发现：（1）相位裕度仅为54.7度，不满足要求；（2）M9的电流不能到达25，仅22；（3）Vout处的静态工作点大约为1.6V不是理想的0.9V；增大M10或者减小1处的电压值可以增大，从而增加，并且可以降低输出端的静态工作点，增大M9可以增加M9的电流。为了M7，M8的宽度是长度的整数倍，即增加，使其等于3，设计中增加从而增加M8的电流，这样可以满足时，左右，并且，设计中把

8、设计的更低些，从而获得更大的相位裕度，最后确定。这样一来输出端的静态工作点变得很低，需要调整M11的尺寸来调整静态工作点。最后调整参数如下：晶体管尺寸(L=1时的W值)电流()M1、M21415M3、M4815M5、M63260M7、