苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文）
密勒补偿运算放大器的设计与优化
摘 要
电子工业在如今飞速的发展，集成电路在各行各业中起到了越来越重要的作用，从而促使需求量越来越高。高速、高精度、多功能、低功耗等等的指标已经逐渐走进人们的视野。本次设计主要阐述了放大器的基本组成，简单电阻负载放大器和共源放大器以及二级密勒补偿运算放大器的设计。设计中我们采用Cadence软件在虚拟机中运行来实现电路的仿真。关注运算放大器的各项指标：开环直流增益，单位增益带宽，相位裕度，转换速率，负载电容，静态功耗，共模抑制比等等。根据提供的指标参数进行设计，最终通过改变晶体管参数和元器件参数进行分析，进而可以达到优化电路的目的。
关键词 运算放大器；电路设计；Cadence仿真；性能指标
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The design and optimization of Miller compensation
operational amplifier
Abstract
With the rapid development of the electronics industry nowadays, IC has played an increasingly important role in all walks of life, contributing to the demand for it becoming higher and higher. This design mainly elaborated the basic components of the amplifier, a simple resistive load amplifier and a common-source amplifier, and the design of a secondary Miller compensation arithmetic amplifiers. In the design, we use Cadence software running in a virtual machine to achieve the emulation of a circuit. Concern about the indicators of the operational amplifier: DC gain, GBW, PM, SR,CL, Static power consumption, CMRR and so on. Design the circuit according to indicators and parameters provided, eventually analyzed by changing transistor parameters and component parameters and then you can achieve the purpose of optimizing the circuit.
Keywords Operational Amplifiers; Circuit Design; Emulation of Cadence ; Performance indicators
II
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目 录
第1章 绪论 .......................................................... 1 1.1 引言 ............................................................................................................................. 1 1.2 设计思路、运放介绍和软件运用 ............................................................................. 1 1.2.1 运算放大器的基本设计思路 .............................................................................. 1 1.2.2 关于模拟集成运算放大器 .................................................................................. 2 1.2.3 仿真软件的介绍 .................................................................................................. 3 1.2.4 运算放大器的性能指标 ...................................................................................... 3 1.3 章节内容概述 ............................................................................................................. 4 第2章 简单的电阻负载共源放大器 ...................................... 5 2.1 电路原理分析 ............................................................................................................. 5 2.2 电路仿真过程与原理 ................................................................................................. 6 2.3 SMIC 0.18UM3.3V厚氧化栅工艺PMOS管电阻负载共源放大器影响因素仿真与分析 ................................................................................................................................. 13 2.3.1 设定电阻RD=165kΩ，L=10u不变，改变W ................................................. 13 2.3.2 设定Rds=165kΩ不变，W=5u不变，改变L .................................................. 13 2.3.3 设定W/L=40u/10u=4不变，RD=165kΩ不变，改变Vgs ............................. 14 2.3.4 设定W/L=40u/10u=4不变，改变RD的大小 .................................................. 15 2.3.5 设定RD=165kΩ不变，W/L=4不变，改变W，L的值 ................................. 15 第3章 简单共源放大器的设计 ......................................... 17 3.1 单级共源放大器的设计 ........................................................................................... 17
3.1.1 设计原理图与指标 ............................................................................................ 17 3.1.2 参数的估计 ........................................................................................................ 17 3.1.3 仿真验证 ............................................................................................................ 18 3.2 共源共栅电路 ........................................................................................................... 24 3.2.1 设计原理图与指标 ............................................................................................ 24 3.2.2 参数估计 ............................................................................................................ 25 3.3 参数比对分析 ........................................................................................................... 31 第4章 二级密勒补偿运算放大器的设计和分析 ........................... 32 4.1 电路原理和参数估计 ............................................................................................... 32 4.1.1 电路原理分析 .................................................................................................... 32 4.1.2 设计指标 ............................................................................................................ 33 4.2 电路设计与参数估算 ............................................................................................... 33 4.2.1 分配各级的增益 ................................................................................................ 33 4.2.2 确定密勒电容Cc的大小 .................................................................................. 33 4.2.3 确定各级工作电流 ............................................................................................ 34 4.2.4 确定第一级输出摆幅和静态工作点 ................................................................ 34 4.2.5 估算第一级宽长比 ............................................................................................ 35
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4.2.6 第二级宽长比的估算 ........................................................................................ 36 4.3 仿真验证和结果分析 ............................................................................................... 36 4.3.1 静态工作点仿真 ................................................................................................ 36 4.3.2 共模输入范围仿真的过程和结果 .................................................................... 40 4.3.3 开环增益，相位裕度，单位增益带宽的仿真 ................................................ 41 4.3.4 共模电压与差模增益的关系 ............................................................................ 42 4.3.5 共模抑制比的仿真过程与结果 ........................................................................ 44 4.3.6 共模输入和共模抑制比的关系 ........................................................................ 47 4.3.7 瞬态分析 ............................................................................................................ 48 4.3.8 电路静态总功耗 ................................................................................................ 52 4.4 密勒电容对零点极点的影响以及运算放大器性能参数和稳定性的影响 ........... 52 4.5 运算放大器设计指标与仿真结果 ........................................................................... 55 总 结 ............................................................... 56 致 谢 ............................................................... 57 参 考 文 献 .......................................................... 58 附录A 基于SMIC 0.18um 3.3V厚氧化珊工艺MOS管的沟道长度调制系数λ和参数K的参数提取表 ....................................................... 59 附录B 译文 .......................................................... 61 附录C 外文原文 ...................................................... 82
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第1章 绪论
1.1 引言
集成电路的发展改变了人们的日常生活，它可以说是人类文明史上的新变革。电子产品的越来越多，应用的范围也越来越广，其内部的半导体集成电路的制作要求也就越来越高。进而集成电路中的电路设计就变得越来越重要，同时也会面临着压力，这便是我们正在面临的问题。
目前看来，一般模拟电路设计依然需要手工设计。因此研究模拟电路设计过程，提高设计成功机会和效率是非常必要的。虽然在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面计算机辅助设计方法应用得很成功了，但对于模拟电路来说并不适用。
模拟电路的设计一般分为三个步骤：第一，进行原理图的设计，选择设计所选用的晶体管和各个电路器件，绘制出原理图；第二，参数的估算，根据所要求给定的参数，总体上估算出电路中元器件的参数数值；第三，仿真验证，验证实际数值是否与估算值有相差，如果有相差，我们需要进一步分析导致误差的原因，通过微调电路或者元器件的参数最终得到满足设计条件的电路图。
本次设计是根据cmos运算放大器的基本原理设计指标和工艺要求完成的基本运算放大器的研究分析，以求从点及面的更好的去理解运算放大器的构成和影响因素，并且能够在仿真中经过验证得到所想要得到的运算放大器。
1.2 设计思路、运放介绍和软件运用
简单的介绍一下运放的研究背景和种类以及完成本次设计的设计思路和仿真软件Cadence的使用。
1.2.1 运算放大器的基本设计思路
一个完整的运算放大器的设计流程可以分为：（1）确定设计目标；（2）设计电路并运用仿真软件进行仿真；（3）进行版图的设计；（4）根据版图制作出来芯片的测试。（由于时间的限制，本次设计只考虑前两部分的详细研究）流程图如图1.1所示。
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