CMOS两级运算放大器设计与HSPICE仿真

28第28卷第12期湖南科技学院学报Vol.28No.122007年12月JournalofHunanUniversityofScienceandEngineeringDec.2007CMOS两级运算放大器设计与HSPICE仿真何红松（湖南科技学院电子工程与物理系，湖南永州425100）摘要：本文根据运算放大器的设计要求(单位增益带宽、相位裕量、输入等效噪声、功耗等)，选择电路结构，详细分析了CMOS运算放大器的所有性能参数，使用Levelone模型进行手工计算，设计出器件的几何尺寸，最后通过Hspice仿真软件给出了性能指标的仿真结果。关键词：CMOS；运算放大器；密勒补偿；Hspice中图分类号：O59文献标识码：A文章编号：1673-2219（2007）12-0028-031引言两级运放可以同时实现较高增益和较大输出摆幅[1]，其设计思路是将增益和摆幅要求分别处理，而不是在同一级中兼顾增益与摆幅。即运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运放增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。因此，利用两级放大器结构设计放大器的思想在通用运放的设计中被广泛采用。本文详细介绍了一个CMOS两级运算放大器的设计过程。12电路与设计指标设计指标如表1所示。基于这些指标选择了如图1示的电路结构[2]。该运放主体结构为两个单级放大器：差分输入级和共源增益级，辅助电路为偏置电路和频率补偿电路。差分输入级采用PMOS输入对管，NMOS电流镜负载；共源级采用NMOS放大管，PMOS负载管；由六个MOS管和一个电阻构成的电流源为两级放大电路提供偏置，另外还为频率补偿MOS管提供偏压；一个NMOS管和一个电容构成频率补偿电路，连接在共源级的输入输出之间作为密勒补偿。该运放的工作原理：信号由差分对管两端输入，差模电压被转化为差模电流，差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压，信号电压被第一次放大后被转化为单端输出，随即进入共源级再一次被放大后从漏端输出。电路特点是通过两级结构可以同时满足增益和输出摆幅的要求，即第一级收稿日期：2007－06－11基金项目：CMOS高性能运算放大器研究与设计（湘科院科通[2006]6号）作者简介：何红松（1976－），湖南永州人，湖南科技学院电子工程与物理系讲师，主要从事电子技术课程教学和CMOS模拟集成电路设计与应用。提供高增益，可以牺牲摆幅，第二级弥补摆幅，同时进一步增大增益。表1设计指标负载电容3pF共模输入电压固定在（VDD+VSS）/2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≥60degree转换速率≥30V/uS共模抑制比≥60dB负电源抑制比≥80dB等效输入噪声≤300nV/Hz@1KhzVDDGNDM131089M11M8M967M5M1M2M3M41234M7M6CLCCRB5VNVPM12M10M14图1CMOS两级运算放大器3电路几何参数设计本设计采用0.8μmCMOS工艺，基于Levelone模型设计各管尺寸，提取典型工艺参数如下：μn=600cm2/v/s,μp=200cm2/v/s,λn=0.03V-1λp=0.06V-1,Tox=20e-9,Cox=50A/200A×6.9fF/μm2=1.73fF/μm229（1）设计Cc为了得到60°的相位裕度，理论上要求零点在10GBW之外，可以证明：22.2GBWP≥即：612612.210mmcmmccggCCggCC⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩可以得到：Cc≥0.22C2，这里，C2=CL，因此：0.220.66cLCCpF≥=，选择Cc=1pF（2）分配电流PDC=VDDItot≤2mW，VDD=5V，Itot=I5+I7+I8+I9≤400μAI5≥SR×Cc=30×106×1×10-12=30μAI7≥SR×(Cc+CL)=30×106×4×10-12=120μA考虑单位增益带宽要尽可能大，在参照以上比例的同时稍微加大第一级的电流，分配如下：I8+I9=20μA,I5=80μA,I7=300μA（3）设计M1、M6尺寸令两放大管M1、M6的过驱动电压为0.2V,则：()612612805834.50.0411010pGSthpWILVVK−−×==≈××⎛⎞⎜⎟⎝⎠−()6626622300145103.60.0461010nGSthnWILVVK−−××==≈××⎛⎞⎜⎟−⎝⎠选取L1=L6=Lmin=1.2μm,则W1=W2=70μm，W6=174μm（4）设计M3、M4尺寸M3和M4构成电流镜负载，当VSG4=VSG6时，镜像最好，失调最小。这时有：446464014519.33300WWLIIWLL=⇒=×=⎛⎞⎜⎟⎛⎞⎝⎠⎜⎟⎛⎞⎝⎠⎜⎟⎝⎠选取L3=L4=2μm,则W3=W4=39μm（5）设计M5、M7尺寸由输出动态范围确定。输出范围0.5-4.5V,则M5、M7过驱动电压为0.5V。()65265228018.634.50.2551010pGSthpWILVVK−−××==≈××⎛⎞⎜⎟⎝⎠−757530018.669.7580WWIILL=×=×=⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠选取L5=L7=Lmin=1.2μm,则W5=22.3μm，W7=83.7μm（6）设计M8、M9尺寸858952018.64.6580===×=⎛⎞⎛⎞⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠选取L8=L9=Lmin=1.2μm,则W8=W9=5.58μm各管尺寸和电流总结如表2：表2：各管尺寸和电流汇总MOS管W/L（um/um）ID（uA）M1，M270/1.240M3，M439/240M522.3/1.280M6174/1.2300M783.7/1.2300M8，M95.58/1.2104Hspice仿真将M9-M13构成的偏置电路用一个20uA恒流源代替，M14频率补偿管用一个2KΩ电阻代替，采用Hspice对电路进行仿真。主要的仿真图形如下：图2频率特性图3转换速率图4共模抑制比30主要性能参数的仿真结果总结如下：由图2的频率特性曲线可知，该运放的直流开环增益为87.6dB,单位增益带宽为80.5Mhz,相位裕度为68度；由图3的转换速率仿真曲线可知，正向压摆率为48.4V/uS；由图4共模抑制比仿真曲线可知结果为90.6dB；由Hspice仿真输出的.lis文件获得运放的直流功耗为2.2776mW。另外，仿真得到的运放在1Khz时的等效输入噪声电压为:310nV/Hz@1Khz。负电源抑制比为95.8dB。仿真结果与设计要求列表比较如下：设计指标设计要求仿真结果静态功耗≤2mW2.2776mW开环直流增益≥80dB87.6dB单位增益带宽Maximize80.5Mhz相位裕量≥60Degree68Degree转换速率≥30V/uS48.4V/uS共模抑制比≥60dB90.6dB负电源抑制比≥80dB95.8dB等效输入噪声≤300nV/Hz@1Khz310nV/Hz@1Khz5结论本文基于设计要求，选择电路结构，详细设计了MOS管的尺寸，并在直接用恒流源代替偏置电路，用电阻代替补偿MOS管的情况下对运放进行了HSPICE仿真，仿真结果表明，开环直流增益，相位裕度，转换速率，共模抑制比，负电源抑制比等性能参数均达到预期设计要求，但是静态功耗和等效输入噪声两项未能达到设计要求，说明还需要对设计进行优化。优化设计主要针对静态功耗和等效输入噪声两项未达标的参数，思路是适当减小静态电流以降低功耗，同时优化M1-M4管尺寸以减小噪声[3]。参考文献：[1]RazaviB．DesignofAnalogCMOSIntegratedcircuits[M]．pp.252.NewYork:McGrawHill,2001．[2]MariadelMarHershenson,StephenP.Boyd,ThomasH.Lee,“OptimalDesignofaCMOSOp-ampviaGeometricProgramming”,IEEETransactionsonComputer-AidedDesignofIntegratedCircuitsandSystems,Vol.20,pp.1-21,Jan.2001．[3]PradipMandal,V.Visvanathan,“CMOSOp-AmpSizingUsingaGeometricProgrammingFormulation”,IEEETransactionsonComputer-AidedDesignofIntegratedCircuitsandSystems,Vol.20,pp.22-38,Jan.2001．（责任编校：何俊华）ADesignoftwo-stageCMOSOperationalAmplifierHEHong-song(DepartmentofElectronicEngineeringandPhysics,HunanUniversityofScienceandEngineering,YongzhouHunan425100,china)Abstract:Basedonthedesignspecificationoftheoperationalamplifier,inthispaper,IselectedcircuitstructureandanalyzedallparametersoftheCMOSoperationalamplifierindetailthenmanuallycomputedMOSFET’sgeometrylengthandwidthbasedontheLevelOnemodel.Intheend,IsimulatedtheCMOSoperationalamplifierbyHSPICE.Keywords:CMOS;OperationalAmplifier;Millercompensation;Hspice