电子齐纳二极管轨到轨运算放大器设计

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1、电子齐纳二极管轨到轨运算放大器设计报告姓名：学号：指导教师：一摘要本次设计采用SMIC0.18工艺，本文档分析了电子齐纳二极管RailtoRail运放工作原理。根据设计指标完成了电路所有参数的设计，最后给出了电路的前仿结果，版图信息和后方结果。二、电路结构图1齐纳二极管轨到轨运放电路拓扑结构（1）输入级结构分析图2电子齐纳管轨到轨输入级由于齐纳二极管一旦被击穿，尽管反向电流急剧增大，但PN结两端的电压Vz几乎可以维持不变。一个MOST无法实现与之同样的尖锐的拐角，但是增加一些MOST可以在一定程度上使拐角尖锐些，称为电子齐纳二

2、极管。如图所示，当共模电平在电源轨或者地轨时，差分互补输入管只有NMOS（或PMOS）工作，只要通过偏置使上下尾电流保持一致，通过设定管子的宽长比，可以使两种情况下增益相等。当共模电平变化到使两个输入差分对管都同时导通时，要使轨到轨输入级在共模电平变化时跨导恒定，即若通过设置N管和P管宽长比使则由于Vtn与Vtp基本保持不变则：所以引入M9~M14组成电子齐纳二极管。M9与M10为两个互补的二极管链接的MOS管，决定了齐纳电压Vz，他们的宽长比分别于输入晶体管的宽长比相同，M15的宽长比是M14的8倍。M11流过了了一部分尾电

3、流，所以流过M11的电流等于流过M19的电流，因为M15和M17有同样的矿场比，流过二极管链接管的电流就是一个常数。所以，落在这两个二极管上的压降就保持了恒定。M13的作用限制M14的漏电压。若输入共模电平很大，M14的漏电压超过一个特定的值时，被特定电压偏置的M13就会导通然后传输M14的电流到NMOS输入对的尾电流。若没有M13，当共模电平接近一个电源轨时，则M14的漏电压就会很接近电源电压。这时M4会增加尾电流中的电流，会导致输入管的跨导变化很大。（2）输出级分析输出级根据项目要求采用AB类输出级，其电路拓扑结构如下：图

4、3采用AB类结构的输出级电路对于NMOS管，电路中蓝线部分(MC12，M2，MC15和MC16)构成跨导线性环路；满足如下关系式：对于PMOS管，电路中红线部分(MC11，M1，M14和M13)也构成跨导线性环路；满足如下关系式：这两个环路为保证AB类的输出提供了稳定的偏置。三．设计指标设计指标带宽最大化工艺0.18um或0.13um工艺负载电容=10pF共模输入电压[VSS,VDD]输出动态范围[0.1(VDD-VSS),0.9(VDD-VSS)]静态功耗2mW开环直流增益80dB单位增益带宽Maximize相位裕量6

5、0degree转换速率30V/us共模抑制比60dB负电源抑制比80dB四．原理分析1.直流分析(1)总功耗该电路的总功耗为各个支路电流之和。主要的电流部分消耗在第一级差分输入，两个Cascode支路及输出级的支路上。(2)共模输入电压范围由于采用了并联的NMOS及PMOS输入差分对，输入共模电压范围可达到轨到轨，即：(3)输出动态范围考虑到输出级的PMOS及NMOS管可以工作在线性区(极端情况下)，且负载为电容，故输出动态范围为轨到轨，即2.交流分析(1)开环直流电压增益参照图1及图3，可知，整体电路的第一级为fold

6、edcascade结构，其小信号电压增益为，其中为输入管的跨导，为第一级的输出阻抗，其大小为。第二级为共源放大电路，其小信号电压增益为，其中。故电路的总增益为。(2)单位增益带宽由于是两级放大电路，并且输入级采用了cascode结构，故补偿方式为cascode密勒补偿。单位增益带宽为。(3)相位裕度显然，该电路的次级点为。为满足相位裕度的要求，应将次级点设计在2GBW以外。(4)转换速率分析两级运放电路，可知限制电路转换速率的因素包括电路内部节点和外部节点。其中内部转换速率为，外部转换速率为。故整个电路的转换速率为：五、电路设

7、计及仿真本次设计采用SMIC0.18um工艺实现，电源电压1.8V。利用Candence的Virtuoso软件编辑原理图及版图，下面给出电路图及testbench电路及仿真结果。直流特性（1）静态功耗：通过dc仿真得到电路的静态电流为1.1mA。满足设计要求。（2）第一级Gm和，对输入对管gm之和通过参数扫描得到以下图形：跨导之和平均值为1.06mS。归一化gmtot误差为9%。交流特性(1)直流开环电压增益，GBW及相位裕度对输入共模电平扫描，得到的仿真结果如下：可以看出，低频Gain的变化范围为91dB~96Db。GBW的

8、变化范围为15Mhz~17Mhz。由图可得，相位裕度的变化范围为67~78deg。（2）共模抑制比对输入共模电平扫描，得到的仿真结果如下：可以看出，共模抑制比的变化范围为90dB@1KHz~126dB@1KHz。(3)负电源抑制比对输入共模电平扫描，得到的仿真结果如下：可以看