32 高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器
图4.1 运算放大器的相频特性和幅频特性曲线
图4.2 软件仿真结果
第四章 电路的仿真分析 33
我们利用Cadence Spectre软件的Calculator工具可以直接计算出增益带宽积GBW，相位裕度PM和低频增益，结果如图4.2所示。
仿真结果显示，在驱动大小为2pF的负载电容时，运放可以达到增益带宽积GBW=46.2MHz，直流开环增益为98.2dB，相位裕度PM=66.8°，功耗为864μW，可见运放具有较好的性能。
4.2 输出电压摆幅
图4.3为运放输出电压范围仿真结果，可以看出，在电源电压1.8V、共模输入电压为900mV，负载电容为2pF时，输出电压范围等于273mV~1.59V，输出电压摆幅为1.317V。
图4.3 运放的输出电压范围
4.3 多种工艺角下的AC特性仿真
为了更好地了解电路的性能，本文仿真了该电路在多种工艺角下的AC特性，结果如图4.4所示。
34 高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器
图4.4 不同工艺角的AC特性仿真结果
从图4.4中我们可以得出，本文设计的电路，增益带宽积GBW在工艺角ff下最大，为46.6MHz，在工艺角fnsp下最小，等于42.14MHz；在工艺角ss下低频增益最大，等于99.19dB，fnsp下最小，等于81.08dB；相位裕度PM在工艺角snfp下最大，等于68.33°，在工艺角ss下最小，等于65.93°。
4.4 本章小结
本章主要基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，在1.8V电源电压下采用电路仿真软件Cadence Spectre对所设计的基于衬底驱动的运算放大器进行了仿真验证。验证结果表明，各项指标参数均达到了设计前的要求标准。
表4.2 运算放大器的设计指标仿真结果
参数 电源电压 直流开环增益 单位增益带宽 相位裕度 输入电压范围 输出电压范围 功耗 仿真前参数 1.8V >80dB 45MHz 60° -- -- -- 仿真后参数 1.8V 81.08dB 42.14MHz 65.93° 0~1.8V 273mV~1.59V 864μW 第五章 总结与展望 35
第五章 总结与展望
本文首先介绍了低电源电压模拟集成电路技术的发展以及面临的挑战，介绍了低压应用的一些主要技术。根据相应地技术特点和设计要求，本文选择衬底驱动MOSFET技术作为此次放大器设计的主要技术。
本文对衬底端作为信号输入端的衬底驱动MOS技术的工作原理进行了介绍和分析，同时建立了小信号模型，并且对频率特性和噪声特性都进行了分析，并且将传统的栅驱动MOSFET差分对与衬底驱动的MOSFET差分对作了对比与分析。
运算放大器作为模拟集成电路系统和混合信号系统中最重要的部分之一，同时也是应用最为广泛的单元之一，其设计的方法成为模拟电路设计的关键之一。在对不同结构的运算放大器的特性进行了对比和分析之后，决定采用衬底驱动输入级的两级结构来实现本文所设计的运放电路。在对设计指标进行分析之后，据此对器件参数和尺寸进行了计算，之后基于SMIC 0.18μm CMOS工艺对放大器进行了具体设计和计算机软件的仿真分析，并且完成多种工艺角下的AC特性仿真，经过不断地调试，测得：直流开环增益为81.08dB，单位增益带宽42.14MHz，相位裕度PM=65.93°，功耗为864μW。同时实现轨对轨的输入电压范围，输出电压范围为273mV~1.59V，均满足了高带宽高增益的设计要求。
由于时间和条件有限，本文设计的电路都没有进行流片验证。虽然仿真结果表明电路的性能都还满足指标，但真正流片后的性能有待实验验证。因而，如果条件允许的话，希望以后能够对本文设计的电路进行流片验证，以期总结得失，进一步改进设计，提高电路性能。
36 高带宽高增益衬底驱动跨导运算放大器
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