两级CMOS运算放大器设计（课件7）.ppt

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1、两级CMOS运算放大器设计西安电子科技大学微电子学院刘帘曦西安电子科技大学1两级CMOS运算放大器设计一、运放的概念、组成与电路结构二、两级运放的频率补偿三、两级运放的设计方法四、两级运放的仿真和测试五、两级运放的版图设计西安电子科技大学2一、运放的概念、组成与电路结构西安电子科技大学运算放大器（简称运放）是模拟电路和混合信号电路中最主要的电路模块之一。将运算放大器配以各种辅助电路，则可以实现对输入信号的放大、微分、积分、求积、对数等运算功能；理论上说，运放的差模电压增益为无限大，输入电阻也是无限大，输出电阻为零，但实际的运放

2、的性能只能接近这些值；运放作为一种有足够正向增益的放大器，当加上负反馈时，其闭环转移函数与运放增益无关；3两级CMOS运算放大器的提出西安电子科技大学差分放大器可以称为一级运算放大器，其电路的增益由输入对管的跨导与输出电阻的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益；共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路的输出摆幅；4CMOS两级运算放大器的基本特性（性能指标）直流开环增益（DCOpen-LoopGain）>70dB单位增益带宽（Unit-GainBandwidth）>5MHz相位裕度（PhaseMargin

3、）4560dB共模抑制比（CMRR）>60dB输出电压摆幅（OutputVoltageSwing）>1.5V芯片面积（SiliconArea）西安电子科技大学5CMOS运算放大器的基本分类西安电子科技大学两级CMOS运算放大器套筒式共源共栅CMOS运算放大器（单级）折叠共源共栅CMOS运算放大器（单级）Rail-to-RailCMOS运算放大器ChopperCMOS运算放大器6两级CMOS

4、运算放大器的基本结构西安电子科技大学M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等;两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极点，因而降低了运放的相位裕度;为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第二级之间中加入补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过补偿电容的反馈作用，把两个极点拉开。（a）无补偿运放（b）有补偿运放7二、两级运放的频率补偿西安电子科技大学运放一般用在负反馈结构中，在此结构中，相当高而又不确定的开环增益和反馈一起作用，可以获得一个很准确的转移函数，它是含有

5、反馈元件的函数下图表示了一种通用的负反馈结构，图中A是放大器增益，通常是运放的开环差分电压增益，F是从运放的输出通过负反馈，回到输入的转移函数如果直流开环增益A(0)在1000到2000之间，而F(0)＝1，则前向增益在0.999到0.9995之间变化。如果回路增益很高，则可用反馈网络来精确控制前向转移函数。这就是运放的应用原理。反馈系统8两级CMOS运放的稳定性分析西安电子科技大学反馈信号必须满足一定的相位和幅值条件，以避免信号产生再生现象，即满足下式：（如果出现了再生，就可能使运放产生振荡）其中ω0定义为：上述条件也等价为

6、：ω0定义为：9两级CMOS运放的稳定性分析西安电子科技大学也就是说，稳定性是由单位开环增益的相位值决定的，即由相位裕度决定。所以系统稳定性的重要体现就是运放的相位裕度较大，一般运放的相位裕度要求在60o左右。10无补偿两级运放的小信号模型西安电子科技大学无补偿运放的二阶模型，为使结果通用，用角标I表示第一级的元件，角标II代表第二级的元件;其中RІ（RІІ）是从运放的第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电阻，CІ（CІІ）是从运放地第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电容。传输函数：两个极点的位置：11有补偿两级运放

7、的小信号模型西安电子科技大学一般情况下，两个极点相距比较近，使运放的相位裕度小于45º，从而导致运放工作不稳定，因此在应用中必须进行补偿。补偿电容CC的作用是削弱主极点的影响而扩大运放的频宽，由于补偿电容CC的引入，运放的传输函数变为两个极点变为12补偿电容CC对两级运放的极点—零点的影响西安电子科技大学补偿电容CC在右半平面（RHP）引入了一个零点Z若CІІ>>CІ，且CC>CІ13三、两级运放的设计方法第一步根据用途和要求选择和确定运放的基本结构，做出一个描述全部晶体管互连的图。一般情况下，结构在整个设计过程中是保持不变，

8、但有时需要调整一下结构来改变某些方面的特性。一旦结构选好之后，就必须确定电路的直流电流，然后开始计算晶体管和补偿元件的大小，大部分工作是在第二步完成的，所作的工作是仔细计算器件的尺寸以满足设计的交流和直流要求。在设计之前需要考虑以下几个方面的条件：（1）工艺要求（VT，K’，