课程设计高增益放大器设计.doc

课程设计报告
一．课程设计题目：高增益放大器
二． 设计过程：
1. 设计指标
设计指标见表1
表1运放设计指标
性能参数
设计指标
负载电容
CL＝1pF
开环增益(低频)
>60dB
共模输入范围
>1.2V
输出摆幅（峰峰值）
>1.6V(CL only)
电源电压
2.5V, 0
直流功耗
<15mW
单位增益带宽
>500MHz
压摆率
>2V/uS
输出信号
单端输出或者差分输出

2. 结构选择和分析

图（1）两级运算放大器
为了满足设计指标又同时想得到结构比较简单的运算放大器。最终构根据设计指标
采用了两级运算放大器，结构如上图（1）。七管两级运算放大器不仅结构简单而且计算也不复杂简单易懂。能够很好的满足设计指标，所以最终选择了此结构。本次设计使用TANNER仿真工具进行仿真。使用TSMC 0.25um CMOS工艺库。
3. 手工计算
首先选择在整个电路中使用的器件栅长。为了方便理论计算选取栅长L=1u。0.25um
工艺参数如下表2。
表2工艺参数

VT0(V)
γ(V0.5)
VDSAT(V)
K'(A/V2)
λ(V-1)
Nmos
0.43
0.4
0.63
115×10-6
0.06
Pmos
-0.4
-0.4
-1
-30×10-6
-0.1

管子栅长选好后，可以确定补偿电容Cc的最小值。输出节点P2高于2.2GB可以获得60°的相位裕度。根据公式计算出取Cc等于0.5pF.
然后在满足摆率要求的基础上确定尾电流。由公式算出：
取。根据公式计算出输入最大电压得到：
电路处于平衡状态时M3管子处于饱和状态。现在可以确定M3的宽长比，根据正的输入共模范围要求来求解。设计公式如下：

计算的出：

为了方便计算取18。
输入管的跨导要求可以由Cc和GB的知识来求解。根据公式计算得出：
宽长比可以直接由得到如下：

计算得到：

为了方便后边计算取30。
现在利用负的ICMR公式推导计算出：

得到：
那么
为了方便后边的计算取2。
为了得到60°的相位裕度，的值近似是输出极点设置在2.2GB处。跨导可以用下面的关系确定：

如果就可以得到：

则：
最后估算开环增益：
约为80dB。静态功耗约为：
。

如下表3是理论计算得到的管子参数。

表3运算放大器理论参数

M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
W
30u
30u
18u
18u
2u
190u
10u
2u
L
1u
1u
1u
1u
1u
1u
1u
1u

工艺为0.25um，但是在实际仿真的时候发现如果栅长定为0.25um时性能并不理想，最终选取管子长为0.5um。实际仿真的管子参数如下表4。
表4运算放大器器件实际参数

M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
W
15u
15u
9u
9u
1u
95.25u
5u
1u
L
0.5u
0.5u
0.5u
0.5u
0.5u
0.5u
0.5u
0.5u
三．仿真过程及结果分析
1. 直流和交流分析
如下图（1）是对以上的运算放大器结构进行直流扫描确定静态工作点，得到静态工作电压为0.73V然后进行交流仿真，结束后对静态工作点进行扫描得出在静态工作电压等于0.8V时能够得到最大的增益，所以后续仿真静态工作电压定为0.8V。幅频和相频结果在图（2）中，可以从图中得到增益约为80.41dB，单位增益带宽为39.81M，相位裕度约为56.91°。

图（2）静态工作点确定

图（3）幅频特性和相频特性仿真图
2. ICMR
ICMR测量结构如下图（8）所示。如下图（4）通过给输入做电压扫描查看M1漏端的电流变化，趋于稳定时读取电压输入范围。得到共模输入范围的仿真图得到ICMR为1V~2.4V。

图（4）ICMR仿真图
3. 压摆率
压摆率通过如下图（8）所示结构仿真测量。给定一个方波得到输入变化10%和90%时分别是0.4v和2 v变化时间为50.7ns如下图（5）所示。计算得到压摆率是32v/us。
图（5）压摆率仿真图
4. CMRR
共模抑制比用如下图（6）结构进行仿真，两个输入端口都加上一个交流信号源，并且反相输入端的信号源接到输出端口。得到的仿真结果如下图（7）所示。通过仿真曲线得到CMRR为70.66dB。

图（6）CMRR仿真结构

图（7）CMRR仿真图
5. PSRR
电源电压抑制比PSRR由下图（8）结构测量，得到的仿真结果如下图（9）可以得出PSRR为70dB。

图（8）PSRR，ICMR和摆率仿真结构

图（9）PSRR仿真图
6. 输出摆幅
输出电压摆幅只需要对输入端dc扫描，分析一下输出电压就可以得到由下图（8）所示仿真结果可以读出为2.47v。范围是8.2mv~2.48v。

图（8）输出摆幅仿真图
7. 实验结果分析
在静态情况下通过瞬态仿真可以得到在输入位0.8V时。得到总电流为17.31uA+93.83uA等于111.14 uA。则实际仿真静态功耗为：

在这次的设计中采用了简单的两级运算放大器，虽然结构简单但是性能方面还是能够很好的满足要求，这次的设计开环增益达到80dB相位裕度大于45°。压摆率为32v/us，共模输入范围是1V~2.4V和电压输出范围8.2mv~2.48v都满足要求。但是在单位增益带宽只有39.81M没有满足要求。原因是两级运放的结构简单，相对与共源共栅结构在增益和对高阶极点的控制力相对较弱。所以可以采用共源共栅结构重新设计运算放大器，不仅可以将增益提高而且单位增熠带宽也能够大幅度提高。但是由于时间有限能力有限，没有采用共源共栅结构。接下来有时间会研究共源共栅运算放大器。

附录：运放网表以及部分仿真网表
两级运放AC仿真网表

* op_amp
.lib 'mix025_1.l' tt
.param VDD = 2.5v CURRT = 20u COM = 0.8v
vd vdd 0 VDD
ibias vdd vbias CURRT
vcom vin_1 0 COM
Vdiff vin_1 vin_2 DC 0 AC 1V
Cc 2 vout 0.6p
Cl vout 0 1p
M1 1 vin_1 3 3 nch w=15u l=0.5u
M2 2 vin_2 3 3 nch w=15u l=0.5u
M3 1 1 vdd vdd pch w=9u l=0.5u
M4 2 1 vdd vdd pch w=9u l=0.5u
M5 3 vbias 0 0 nch w=1u l=0.5u
M6 vout 2 vdd vdd pch w=95.25u l=0.5u
M7 vout vbias 0 0 nch w=5u l=0.5u
M8 vbias vbias 0 0 nch w=1u l=0.5u
.ac dec 10 1 2G
.print ac vdb(vout) vp(vout)
.end

ICMR SR PSRR仿真网表

* op_amp
.lib 'mix025_1.l' tt
.param VDD = 2.5v CURRT = 20u COM = 0.8v
vd vdd 0 dc VDD ac 1.0
ibias vdd vbias CURRT
vin_p vin_1 0 pwl(0 0.2 10n 0.2 20n 2.2 2u 2.2 2.01u 0.2 4u 0.2 4.01u 0.7 6u 0.7 6.01u 0.9 8u 0.9 8.01u 0.7 10u 0.7)
Cc 2 vout 0.6p
Cl vout 0 1p
M1 1 vout 3 3 nch w=15u l=0.5u
M2 2 vin_1 3 3 nch w=15u l=0.5u
M3 1 1 vdd vdd pch w=9u l=0.5u
M4 2 1 vdd vdd pch w=9u l=0.5u
M5 3 vbias 0 0 nch w=1u l=0.5u
M6 vout 2 vdd vdd pch w=95.25u l=0.5u
M7 vout vbias 0 0 nch w=5u l=0.5u
M8 vbias vbias 0 0 nch w=1u l=0.5u
.dc vin_p 0 2.5 0.1
.print dc v(vout) '-I(M1,3)'
.tran 0.05u 10u
.print tran v(vout) v(vin_1)
.ac dec 10 1 2G
.print ac '-vdb(vout)' vp(vout)
.end

目 录
第一章 总论 1
一、项目概况 1
二、项目提出的理由与过程 6
三、项目建设的必要性 8
四、项目的可行性 12
第二章 市场预测 15
一、市场分析 15
二、市场预测 16
三、产品市场竞争力分析 19
第三章 建设规模与产品方案 22
一、建设规模 22
二、产品方案 22
三、质量标准 22
第四章 项目建设地点 25
一、项目建设地点选择 25
二、项目建设地条件 25
第五章 技术方案、设备方案和工程方案 28
一、技术方案 28
二、产品特点 30
三、主要设备方案 32
四、工程方案 32
第六章 原材料与原料供应 35
一、原料来源及运输方式 35
二、燃料供应与运输方式 35
第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 37
一、总图布置 37
二、 运输 38
三、总体布局 38
四、公用辅助工程 39
第八章 节能、节水与安全措施 44
一、主要依据及标准 44
二、节能 44
三、节水 45
四、消防与安全 45
第九章 环境影响与评价 47
一、法规依据 47
二、项目建设对环境影响 48
三、环境保护措施 48
四、环境影响评价 49
第十章 项目组织管理与运行 50
一、项目建设期管理 50
二、项目运行期组织管理 52
第十一章 项目实施进度 55
第十二章 投资估算和资金筹措 56
一、投资估算 56
二、资金筹措 58
第十三章 财务评价与效益分析 61
一、项目财务评价 61
二、财务评价结论 65
三、社会效益 68
四、生态效益 68
第十四章 风险分析 70
一、主要风险分析识别 70
二、风险程度分析及防范风险的措施 70
第十五章 招标方案 72
一、招标范围 72
二、招标组织形式 72
三、招标方式 72
第十六章 结论与建议 74
一、可行性研究结论 74
二、建议 75
附 件 77
一、附表 77
二、附件 77
三、附图 77