课程设计--高增益放大器设计.docx

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 22 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