【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì) 兩級(jí)運(yùn)放可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高增益和較大輸出擺幅 ， 也就是 將增益和擺幅要求分別處理，而不是在同一級(jí)中兼顧增益與擺幅。即運(yùn)用第一級(jí)放大器得到高增益，可以犧牲擺幅，第二級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)大輸出擺幅，以補(bǔ)償?shù)谝患?jí)犧牲的擺幅，并進(jìn)一步提升增益，從而克服了單級(jí)運(yùn)放增益與擺幅之間的矛盾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和大擺幅。因此，利用兩級(jí)放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)放大器的思想在通用運(yùn)放的設(shè)計(jì)中被廣泛采用。本 章主要介紹 了一個(gè) 兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。 兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器 的組成模塊 選擇原則 兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器 的 基本構(gòu)成 [2]如圖 ： 高增益 大擺幅 Vin Vout 圖 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放的 基本構(gòu)成圖 運(yùn)用第一級(jí)放大器得到高增益，可以犧牲擺幅，第二級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)大輸出擺幅，進(jìn)一步提升增益，從而克服了單級(jí)運(yùn) 算放大器 增益與擺幅之間的矛盾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和大擺幅。 兩 級(jí) CMOS運(yùn) 算放大器 的 組成 框圖 如圖 示 ： 圖 兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放 大器的 組成 框圖 輸出電路 （互補(bǔ)推挽 ） 共源放大器 （二級(jí)放大） + 差分放大器 （一級(jí)放大） 補(bǔ)償電路 偏置電路 第一級(jí)放大 第二級(jí)放大 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第一級(jí)放大模塊 選擇 設(shè)計(jì)中 第一級(jí)采用 了 差動(dòng)放大器 ， 主要原因 在于 差分放大器只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，而對(duì)共模信號(hào) (信號(hào)大小相等、相位相同 ) 進(jìn)行抑制， 也就是說(shuō)當(dāng)輸入信號(hào)的差值為零時(shí)，輸出的差值電流為零 。具有很強(qiáng)的干擾能力，并且有漂移小 、 級(jí)與級(jí)之間很容易直接耦合的特點(diǎn)。 從而可以獲得盡可能低的零點(diǎn)漂移和盡可能高的共模抑制比 [3]。 CMOS差動(dòng)放大器 電路如圖 。 圖 差動(dòng)放大器 該電路中， N溝道 MOS場(chǎng)效 應(yīng)管 V1和 V2作為差分對(duì)管，是完全匹配的，其工作電流由 V V6組成比例電流源 構(gòu)成的電流源提供 ， P溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 M M4組成鏡像電流源作 為差分放大管的有源負(fù)載（ 讓差分放大器有電壓輸出）。由 于 Vgs1=Vds1=Vgs2, 兩 MOS管具有相同的柵 源電壓 ， 并 且假定 M3與 M4管的寬長(zhǎng)是相等的 ， 所以在忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制的條件下，我們認(rèn)為他們的漏電流是相等的，即 。 此 電路為單端輸出，輸出電流 = 。 靜態(tài)輸出電 流 分析 由圖可 知 ： =AIr = = = = V3V1V6RrUG1ID1V4V2ID2ID4UG2ILV5ISSUSSUDDUoRLIr1 A:蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 = =0 即靜態(tài)時(shí)，負(fù)載電流為 0。 差模增益 Aud的分析 式 () 式 ()中， gm1為差分對(duì)管 V1(或 V2)的跨導(dǎo)， rds4為 V4的輸出電阻， rds2為 V2的輸出電阻RL為負(fù)載電阻。 式 () 式中， βN1為 NMOS管 V1的導(dǎo)電因子，且 式 () 式 () 式 () （ 1）若 rds4∥ rds2RL, 則 式 () （ 2）若 rds4∥ rds2RL, 則 式 () 由 式 ()可見(jiàn)，溝道調(diào)制效應(yīng)如果顯著的話，則直接影響到 Aud使其減小，所以我們必須減弱 溝道 效應(yīng)，增強(qiáng)管子的輸出電阻。在溝道調(diào)制效應(yīng)可以忽略的條件下，差動(dòng)放大器的增益取決于管子的靜態(tài)工作電流和管子寬 長(zhǎng)比 （見(jiàn)式 ） 。靜態(tài)工作電流一般由 功耗決定，那么可以控制管子的尺寸 （ W/L） 來(lái)達(dá)到滿足增益的目的。 第二級(jí)放大模塊 及 輸出模塊 選擇 第二級(jí)放大器 采用 共 源 放大器 ，它是主要的電壓增益級(jí) （ 100~1000）， 且它的輸出阻抗低， 是 CMOS 運(yùn)放的主要放大單元 。 共源放大器 電路 如 圖 ： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 M1VoutVinM2Vs sVddVGG 圖 共源放大器的電路圖 圖中的 P 溝 道 MOS 管 M2 是 N 溝道 MOS 管的 M1 的有源負(fù)載。有源負(fù) 載 M2 與偏置電路構(gòu)成電流源電路時(shí)， M2 通常作為有源負(fù)載。 當(dāng)輸入電壓 Vin 低 于 M1 管的閾值電壓時(shí)， M1 管截止， M2 管導(dǎo)通，由于信號(hào)沒(méi)有從 M1 管 的柵極流入，所以沒(méi)有電流輸出，輸出電壓等于電源電壓。當(dāng)輸入電壓 Vin 大于 M1 管的閾值電壓時(shí)， M1 管 開(kāi)始 導(dǎo)通 ，隨著 Vin 的逐漸增大，輸出電壓開(kāi)始下降，當(dāng)通過(guò) M M2 管的電流增大到一定程度時(shí)， M M2 管均工作在飽和區(qū) ， 隨著 Vin的逐漸增大，輸出電壓迅速下降，直到輸入電壓 Vin 增大到 Vout+Vth1 時(shí)， M1 管進(jìn)入線性區(qū)。 M M2 工作在飽和區(qū)時(shí)的電壓增益 等于 M1 管 的跨導(dǎo)和 M M2 管輸出阻抗并聯(lián)的乘積。即 式中 式 () 將 、 表達(dá)式帶入 中，得到 式 () 從式子中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流 減 小時(shí)，電壓增益 增大。 本設(shè)計(jì)中共源放大器也作為兩級(jí) CMOS運(yùn)算放大器的輸出級(jí)，為互補(bǔ)推挽型電路，以提高放大器輸出端的負(fù)載能力，它常加有保護(hù)電路。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 偏置及補(bǔ)償模塊 選擇 在 MOS 模擬集成電路中，偏置電路是不可缺少的重要組成部分。偏置電路的主要作用是 為多級(jí)放大器的各級(jí)設(shè)置合適的工作點(diǎn)，有時(shí)還作為放大器的有源負(fù)載。 與恒流源密切相關(guān) 。 本設(shè)計(jì)中選擇的 CMOS 偏置電路如圖 所示。 圖 CMOS 偏置電路圖 圖中的 M3 是偏置電路的負(fù)載， M M2 共同構(gòu)成了偏置電路 ，從而提供 M2 管漏極上的電流。最 終 提 供給差分放大器 ，以便其正常工作 。 補(bǔ)償電路主要為了讓運(yùn)算放大器工作穩(wěn)定，同時(shí)消除第二個(gè)極點(diǎn)對(duì)低頻放大倍數(shù)、單位增益帶寬等的影響 ，也就是防止電路產(chǎn)生自激 。 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放 的設(shè)計(jì) 電路 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放 的 電路結(jié)構(gòu) 基于 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放的基本 組成框圖及 各個(gè)模塊的 上述選取原則 ， 完成的 兩級(jí)CMOS 運(yùn)算放大器的 設(shè)計(jì) 電路圖 如圖 。 M3 MbreakP 0 M1 MbreakN VCC M2 MbreakN 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 V2F R EQ = 28 0kVAM PL = 1VOF F = 2M5M bre ak PM9M bre ak P0OU T 2M1M bre ak NM8M bre ak NV14. 5Vd cM4M bre ak PM7M bre ak NOU T 1V310 VdcM3M bre ak PC15pM6M bre ak NM2M bre ak N 圖 兩級(jí) CMOS運(yùn)算放大器電路 圖 ，完全匹配的 N 溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 M1 和 M2 作為差分對(duì)管， P 溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 M M4 組成鏡像電流源作為 差動(dòng)對(duì)管的有源負(fù)載， P溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 MN 溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 M6 組成 共源放大器為信號(hào)提供二級(jí)放大，同時(shí)，他們也作為兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器的輸出電路。 N 溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 M M9 為電路的正常工作提供偏置電流。 M M7 與偏置電路組成電流源電路，提供查分放大器的工作電流及作為M5 共源放大器的有源負(fù)載。 電容 C1 接在共源放大器的輸入輸出級(jí)之間，實(shí)現(xiàn) 運(yùn)算放大器 的頻率補(bǔ)償 。 為了提高增益，避免集成電路制造大電阻，往往采用有源負(fù)載。由于 NMOS 管的性能優(yōu)于 PMOS管（主要由于 PMOS中的空穴遷移率是 NMOS中 電子遷移率的 (1/2~1/4），所以放大管都用 NMOS 管，負(fù)載管可用增強(qiáng)型 NMOS 管、耗盡型 NMOS 管和 PMOS管， 設(shè)計(jì)中的放大管采用 NMOS 管 ，負(fù)載管采用 用增強(qiáng)型 PMOS 管 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放 的工作 原理 兩級(jí) CMOS 運(yùn) 放 主要由兩個(gè) 單級(jí)放大器 組成 ：差分輸入級(jí)和共源增益級(jí)，輔助電路為偏置電路和頻率補(bǔ)償電路。差分輸入級(jí)采用 NMOS 輸入對(duì)管， PMOS 電流鏡負(fù)載；共源級(jí)采用 PMOS 放大管， NMOS 負(fù)載管；由 三 個(gè) MOS 管構(gòu)成的電流源為兩級(jí)放大電路提供偏置，另外還為頻率補(bǔ)償 MOS 管提供偏壓；一個(gè)電容構(gòu)成頻率補(bǔ) 償電路，連接在共源級(jí)的輸入輸出之間作為密勒補(bǔ)償。 該運(yùn)放的工作原理：信號(hào)由差分對(duì)管兩端輸入，差模電壓被轉(zhuǎn)化為差模電流，差模電流作用在電流鏡負(fù)載上又轉(zhuǎn)化成差模電壓，信號(hào)電壓被第一次放大后被轉(zhuǎn)化為單端輸出，隨即進(jìn)入共源級(jí)再一次被放大后從漏端輸出。電路特點(diǎn)是通過(guò)兩級(jí)結(jié)構(gòu)可以同時(shí)滿足增益和輸出擺幅的要求，即第一級(jí) 提供高增益，可以犧牲擺幅，第二級(jí)彌補(bǔ)擺幅，同時(shí)進(jìn)一步增大增益。 兩級(jí) CMOS 運(yùn) 放的 器件結(jié)構(gòu) 參數(shù) 設(shè)計(jì) 針對(duì)圖 所設(shè)計(jì)的電路， 根據(jù) 電路 的性能指標(biāo)要求 以及相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算出滿足要求的各 MOS 管 結(jié)構(gòu) 參數(shù) ，最后根據(jù)電路的設(shè)計(jì)要求對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行修正。 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放的性能指標(biāo) 兩級(jí) CMOS 運(yùn) 算 放 大器 的 性能指標(biāo) 如表 所示： 表 兩級(jí)運(yùn)算放大器 性能指標(biāo)參數(shù) 參數(shù)名 參數(shù)值 增益帶寬（ GB） 2KHz 壓擺率即轉(zhuǎn)換速率（ SR） 2v/um 功耗（ Pm） ≤ 100mW 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 本設(shè)計(jì) 中 采用 3umCMOS 工藝 ，基于 LEVEL 1 模型設(shè)計(jì)各管尺寸，提取典型工藝參數(shù)如下 : = Cox=25 μA/ ， = Cox= μA/ ， Cc=5 pF， = ， = ，= 1V。 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)運(yùn)算放大器 的性能指標(biāo) 要求（單位增益帶 寬、壓擺率、直流增益、電源、功耗等） ，通過(guò) CMOS 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的一般步驟得到電路的相關(guān) 器件 參數(shù)（ MOS 管的寬長(zhǎng)比、各管的漏電流及實(shí)際功耗等） ，設(shè)計(jì)步驟如下： 根據(jù)總功耗 Pm=100mW， =10V， 求出允許的總電流 I為 I=Pm/ =10mA 根據(jù) SR=2 V/us， 算出第一級(jí)的偏置電流 Iss。 轉(zhuǎn)換速率 SR（ Slew Rate） [9]是大信號(hào)輸入時(shí)，電流輸出的最大驅(qū)動(dòng)能力。 在 圖 所示的設(shè)計(jì)的兩級(jí) CMOS運(yùn)算放大器中，偏置電流 ID7 通過(guò)管子 M2 或者 M1,M3,M4，對(duì)電容 CC進(jìn)行充電或者放電。當(dāng) 時(shí)，電流 ID5 通過(guò)管子 M2 對(duì)電容 CC充電；當(dāng) 時(shí)，電流 通過(guò)管子 M1 和 M3，電流鏡 M3和 M4 使得 M4對(duì)電容 放電。 密勒電容跨接在第二級(jí) （ V5） 的輸出端，第一級(jí)輸出電流 Io1給 Cc充電，如圖 由壓擺率計(jì)算 公式 可知： SR=Iss/Cc 電源（ Vdd） 10V 直流增益（ Avd） ≥ 5000 密勒電容 （ Cc） 5pF ＋－U oC cIo1蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 壓擺率計(jì)算 Iss = Cc SR=5 =10 uA 式 () 求出第一級(jí)偏置電流 Iss=10 uA， 取 Iss=80 uA， 則 = =40 uA。 根據(jù)對(duì)單位增益寬帶的要求，計(jì)算差動(dòng)放大器 MOS管的寬長(zhǎng)比 。 由圖 ，加了密勒補(bǔ)償 Cc后，由于密勒等效電容對(duì)帶寬的影響遠(yuǎn)大于