ota运算放大器的设计

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1、OTA运算放大器的设计院系：信息科学技术学院专业：集成电路工程姓名：李扬23120091152677郑礼炳23120091152684OTA运算放大器的设计根据老师的要求，本例中的运算放大器的设计指标如下：工作电源电压：3.3V直流开环增益:>80dB增益带宽：>40MHZ摆率：>40V/us共模抑制比：>70dB共模输入范围：0—2.4V负载电容CL：1pF由于设计的运算放大器的电压增益在80dB以上，并且要求共模输入范围从0V开始，故本设计采用了折叠式共源共栅电路和一个简单放大器级联的结构来设计所需的电路。电路结构如下图所示：首先计

2、算补偿电容Cc的最小值：Cc>(2.2/10)(1pf)=0.22pf在这里我们选定Cc为0.25pf因为UGB=gm1/Cc，所以gm1=UGBCc=62.8us而gm12>10gm1，故gm12>628us我们可以用摆率算出I4和I5对于第一级放大器SR1=I4/Cc对于第二级放大器SR2=I5/CL所以I4>SR1CcI5>SR2CL解得I4>10uAI5>40uA我们选取I4=40uAI6=80uA可以给M0、M1、M6、M7各分配20uA的电流，由gm=（2upCox（w/l）I）1/2由此我们可以得到W1/L1=W0/L0=

3、2W12/L12=45在设计中我们可以安排第一级放大器的增益为60dB，第二级放大器的增益为30dB，而第一级放大器的增益为：A1=gm1（（gm11r11r09）（gm7r07r04））=50dB（其中NMOS管沟道调制系数估算为0.1V-1，PMOS管沟道调制系数估算为0.2V-1）从而解得Gm7=gm11=101us再由跨导公式gm=（2upCox（w/l）I）1/2得W7/L7=W6/L6=1.4W11/L11=W10/L10=4.7假设VGS-VTH=120mv,由饱和区电流公式I=1/2(upCox（w/l）(VGS-VTH

4、)2)得W2/l2=101W3/l3=W4/L4=30W6/l6=60由M13以及M9和M13的电流比可得W9/L9=W8/L8=12在填写各管子宽长比时，考虑到后续版图设计的匹配性，需要对前面的理论计算结果进行一些微调。调整后管子的设计如下所示：W0/L0=1um/0.5umm=1W1/L1=1um/0.5umm=1W2/L2=5um/0.5umm=11W3/L3=5um/0.5umm=3W4/L4=5um/0.5umm=3W5/L5=5um/0.5umm=6W6/L6=0.75um/0.5umm=1W7/l7=0.75um/0.5u

5、mm=1W8/l8=1um/0.5umm=5W9/l9=1um/0.5umm=5W10/l10=1um/0.5umm=3W11/l11=1um/0.5umm=3W12/l12=2.5um/0.5umm=9如果将零点移动到左半平面，和输出极点相抵消的话，可以增大带宽及相位裕度，但是实际制造中，电阻值很难做到精确，因此实际应用中只是使用一个大电阻将零点移动到左半平面即可，因此在此我们选用电阻值为2kΩ。各个宽长比得到后，首先采用理想的电压源和电流源对电路进行偏置，然后进行仿真。（1）直流仿真，仿真电路图如下图所示：其中W14/L14=W2/

6、L2=5um/0.5umm=11,W15/L15=W4/L4=5um/0.5umm=3,I0=40uA，Vbias1=2V，Vbias2=1.2V通过仿真发现M12的漏极电压过高，所以我们加大M10、M11的宽长比以调整M12的漏极电压，这样将M10、M11的宽长比调整为W8/l8=1um/0.5umm=10W9/l9=1um/0.5umm=10（2）偏置电路直流仿真通过后我们用偏置电路代替理想的电压源，偏置电路如下图所示：通过调整宽长比，使各个偏置电压与用理想电压源时的偏置电压相等，最后得到的管子宽长比如下所示：W15/L15=1um

7、/0.5umm=12W16/L16=0.82um/0.5umm=1W17/L17=0.82um/0.5umm=1W18/L18=1.2um/0.5umm=1W19/L19=1.2um/0.5umm=1W20/L20=1.2um/0.5umm=1W21/L21=0.5um/5.8umm=3W22/L22=0.5um/5.8umm=3I1=I2=4uA（1）交流仿真用偏置电路代替理想电压源后，对电路进行交流仿真，测量电路的直流增益和相位裕度，仿真电路如下图所示：仿真结果如下图所示：带宽与相位裕度都过小了，而且直流增益也小于80dB。通过查看

8、可以发现M0、M1的跨导过小，所以我们应该增大M0、M1的宽长比。同时为了增加相位裕度，我们可以增加电阻r，调整后M0、M1的宽长比为W0/L0=4um/0.5umm=1W1/L1=4um/0.5umm=1