两级全差动运算放大器的设计

华中科技大学IC课程设计两级全差动运算放大器的设计年级:学号:姓名:专业:指导老师:二零一一年十二月1摘要应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。可以满足一定的高速度、高精度的指标。两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。因此，优于一些传统的两级运算放大器。关键词：全差动运算放大器；共源放大器；折叠式放大器2AbstractAfullydifferentialoperationalamplifierwithaDC-gainof86dBandagain-bandwidthof360MHzhasbeenimplementedina0.18umCMOSprocess.Itcansatisfytheindexofhighspeedandhighprecision.Andthetwolevelisrespectivelymadeupofacommon-sourceamplifierandaFoldingamplifier.Therefore,itisbetterthansomeofthetraditionaloperationalamplifier.Keywords:fullydifferentialoperationalamplifier;common-sourceamplifier;Foldingamplifier3目录摘要........................................................................................................................1Abstract........................................................................................................................21.引言............................................................................................................................42.两级全差动运算放大器设计要求..........................................................................43.电路分析与设计......................................................................................................43.1.第一级运算放大器设计.................................................................................53.1.1第一级差模电压增益...........................................................................63.1.2.共模电压输入范围..............................................................................63.1.3.第一级增益带宽积GBW.......................................................................73.1.4.第一级MOS管宽长比..........................................................................73.1.5.第一级仿真结果..................................................................................73.2.第二级运算放大器设计.................................................................................83.2.1.第二级差模电压增益..........................................................................93.2.2.偏置电压与偏值电流..........................................................................93.2.3.增益带宽积与负载电容......................................................................93.2.4.第二级MOS管宽长比..........................................................................93.2.5.第二级仿真结果................................................................................103.3.两级联仿.......................................................................................................103.3.1.差分压摆率........................................................................................113.3.2.静态功耗............................................................................................113.3.3.等效输入参考噪声............................................................................113.3.4.相角裕度............................................................................................123.3.5.两级联仿结果....................................................................................134.结论........................................................................................................................13致谢......................................................................................................................14参考文献......................................................................................................................14心得体会......................................................................................................................1541.引言随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。另外，差动输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此，本文讨论并设计了满足一定要求的差动输入——差动输出（即全差动）运算放大器。2.两级全差动运算放大器设计要求根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18umCMOS工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：3.电路分析与设计首先，可以对典型的差动输入——差动输出运算放大器进行分析，通常运算放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。这些部分在电路工作的时候都起到了不同的功能。下面介绍一下全差动运算放大器各功能模块的作用。电源电压：1.8V第一级增益：≥20dB第一级GBW:≥500MHz两级增益：≥80dB相位裕度：≥60º差分压摆率：≥200V/us等效输入参考噪声：200nV/Hz@1MHz负载电容：≤1pF静态功耗：尽可能小5典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：VinVoutVinV-out输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪声能力和失调性能。高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆幅。差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度增加了一倍。偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和温度而变化。为了保证运放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大级）。但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。因此，我们最终还是要的运放的整体性能。3.1.第一级运算放大器设计首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下：图1第一级放大电路差分输入级高增益放大级相位补偿电路偏置电路63.1.1第一级差模电压增益由第一级放大电路，可以推算出：rrgAdsndspmpv11//又因为，IVVCgDTHGSoxdsLW221IgrDdsds11因此，dBnpDpmpvIgA20121213.1.2.共模电压输入范围已知电源电压Vdd=1.8V，并且只有当栅源电压Vgs大于开启电压VT，且VVVTgsds时，场效应管才能工作于饱和区。因此，VVvvvvvvvgsipdspddthdsn1.17.02max1min所以共模电压输入范围为vvvcmmaxmin，取vcm=0.9V。73.1.3.第一级增益带宽积GBW要求第一级放大器的增益带宽为GBW=500MHz，我们取负载电容为cL=0.4pf,根据公式:cgLmpGBW2得到10326.1gmp。因此，再根据公式：vvIgthdsDm2得到通过输入管的电流为AID126,所以AIMp2522。再根据公式：221VVCITHGSoxDLW得到2.2522VVCITHGSoxDmipLW3.1.4.第一级MOS管宽长比通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：3.1.5.第一级仿真结果在设置参数如下时，fFVAIVcVVLddcm3508.11809.0可以得到第一级的波特图。从图上可以看到第一级的增益和增益带宽积为：MHzGBWdBdBAv50020301因此