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拓展实验——CMOS运算放大器的仿真
一．实验原理图
VDDM3xirefvin1M1Vn M4yM6Ccvin2CLM7 voutM2Id5M83M5VSS两级CMOS运算放大器
设计一个CMOS两级放大器，满足以下指标： Av?500V0V/(d7b VDD?2.5V VSS??2.5V
GB?5MHz CL?10pF SR?10V/?s Vout范围=?2V ICMR??1~2V Pdiss?2mW
相位裕度：60
两级放大电路的电路分析：
图中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流
?Id1,2?Id3,4?Id5/2，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的
结构使得在x，y两点的电压在Vin的共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图中所示，Cc为引入的米勒补偿电容。
下面是各参数的计算：
COX??ox/toxK???0Cox- 8 -
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计算得到
??109?A/V2KN??61?A/V2KP第一级差分放大器的电压增益为：
Av1?第二极共源放大器的电压增益为
gm1 （1）
gds2?gds4Av2?所以二级放大器的总的电压增益为
gm6 （2）
gds6?gds7gm1gm62gm2gm6? （3）
gds2?gds4gds6?gds7I5(?2??4)I6(?6??7)I由电路的压摆率SR?d5得到
CCAv?Av1Av2?要求60°的相位裕量，则补偿电容的最小值有Cc>(2.2/10)(10pF)=2.2pF（假设RHP零点高于10GB以上）
考虑共模输入范围：
在最大输入情况下，考虑M1处在饱和区，有
VDD?VSG3?Vn?VIC(max)?Vn?VTN1?VIC(max)?VDD?VSG3?VTN1 （4）
在最小输入情况下，考虑M5处在饱和区，有
VIC(min)?VSS?VGS1?VDsat5?VIC(min)?VSS?VGS1?VDsat5 （5）
而电路的一些基本指标有
p1??GB是单位增益带宽 P1是3DB带宽 GB=Av?p1 gm1 （6） AvCCgp2??m6 （7）
CLgz1?m6 （8）
CCgGB?m1 （9）
CCCMR:
=VDD? 正的CMR V（最大）inI5?3I5?VT3(最大)?VT1(最小) (10)
=VSS? 负的CMR V（最小）in相位裕量有
?1?VT1(最大)?VDS5(饱和) (12)
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?M??180??tan?1(??1GBGBGB)?tan?1()?tan?1() p1p2z1?1gm1CCg)?tan?1(m1) gm6CLgm6g由此可以看出，得到较大的相位裕量，必须使得m1足够的小才行
gm6即得到?M??180?tan(Av)?tan(
由补偿电容最小值2.2pF，为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF,由摆率指标和Cc我们算出
Id5=(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度，我们取iref?40?A。)则可以得到，
Id1,2?Id3,4?Id5/2?20?A
下面用ICMR的要求计算(W/L)3
(所以有(I5W)3?'?11/1 L(K3)[VDD?VSG3?VTN1]2WW)3=()4=11/1
LLg6?12由GB?m1，GB=5MHz，我们可以得到gm1?5?10?2??3?10?94.2?s
CCg2m1?2/1 即可以得到(W/L)1?(W/L)2?'2KNI1用负ICMR公式计算VDsat5由式（12）我们可以得到下式
VIC(min)?VSS?VGS1?VDsat5 VDsat5?VIC(min)?（则可以得到的VDsat5进而推出
I5?1）?VTN1?VSS
12S5?(W/L)5?即有(W/L)5?(W/L)8?11/1
（2I5）?11/1 '2K5(VDsat5)gm6?64/1 gm4gm6?10gm1?942?s，得到(W/L)6?(W/L)4Id62g2m6gm6?Id7???113.7?A
2K'6(W/L)62K'6S6I(W/L)7?d7(W/L)5?32/1
Id5
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二．运算放大器仿真图
两级CMOS运算放大器
DC仿真电路图 三．DC仿真结果
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实验总结
在两周的课程设计中，我分别使用了hspice软件和cadence
软件，主要对反相器进行了原理图设计和版图设计，最后仿真；反相器是一种简单的CMOS结构，主要是由PMOS和NMOS组成，再加上电源，就可以是其正常运行；最后做的实验是做出CMOS运算放大器的DC仿真和版图。
第一周我完成了用hspice描述反相器的网表电路和使用cadence仿真反相器，这些都比较简单，之前上课期间也学过这两中软件的应用，所以我很快完成这两个实验；最有挑战性的是用cadence对CMOS运算放大器的DC仿真，由于自己对CMOS模拟集成电路设计知识忘了好多，一开始时压力非常重，也非常郁闷，不过，经过我不停的翻书，终于对CMOS运算放大器有了一定的了解，但还是有很多不懂；因此使我在实验操作过程中遇到困难还不知从哪下手解决，自己的理论知识太差了，需要狠狠地补习才行，只有这样，才能让自己更有信心面对未来，要不然只会迷迷蒙蒙地熬日子。
我喜欢学校安排的课程设计，这样会使我学到很多知识，是我更加充足，有人说课程设计没意思，只是去实验室混自己罢了，但我不觉得，课程设计可以给我们带来很多实践机会，自己有没有从中学到东西，就得看个人的心态了。
感谢陈老师两周时间的课程指导，也感谢学校给了我们实践的机会！
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参考文献
1.百度文库
2.CMOS模拟集成电路设计（第二版） 美 Phillip E.Allen
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