【導(dǎo)讀】隨著集成電路工藝的發(fā)展，CMOS電路由于其低成本、低功耗以及速度的不斷提高，在集成電路中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。CMOS運(yùn)算放大器也因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)常被用。因此，有必要對(duì)用CMOS運(yùn)算放大器進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究。本論文主要對(duì)兩級(jí)CMOS運(yùn)算放大器進(jìn)行了前端設(shè)計(jì)及仿真。論文在介紹仿真環(huán)境OrCAD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作性能的基礎(chǔ)上，對(duì)。仿真結(jié)果分析表明所設(shè)計(jì)的電路符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，也驗(yàn)。證了設(shè)計(jì)的兩級(jí)CMOS運(yùn)算放大器的可靠性和可行性。

　　

【正文】 V2 的增益 .INC .\cmos 網(wǎng)表文件 (1)、設(shè)計(jì)電路中各器件參數(shù) M_M1 N16763 N38620 N00372 0 MbreakN + L=6u + W=60u M_M2 OUT1 N32125 N00372 0 MbreakN + L=6u + W=60u 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 M_M3 N16763 N16763 N00464 N00464 MbreakP + L=6u + W=9u M_M4 OUT1 N16763 N00464 N00464 MbreakP + L=6u + W=9u M_M5 OUT2 OUT1 N00464 N00464 MbreakP + L=6u + W=18u M_M6 OUT2 0 0 0 MbreakN + L=6u + W=9u M_M7 N00372 0 0 0 MbreakN + L=6u + W=9u M_M8 0 0 0 0 MbreakN + L=6u + W=9u M_M9 0 0 N00464 N00464 MbreakP + L=6u + W=2u V_V1 N32125 0 V_V2 N02961 0 V_V3 N02873 0 DC AC 1 +SIN 1（偏置電壓） 1（ 小 信號(hào)幅度） 330k（信號(hào)頻率） C_C1 OUT1 OUT2 5p .PARAM rval=1 以上仿真結(jié)果給出了 所 設(shè)計(jì)電路中個(gè)器件的 寬長(zhǎng)等 參數(shù)，其中 MOS 管參數(shù)值是計(jì)算得出的結(jié)果，而獨(dú)立電壓源及電容值是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn) 后獲得的 。 (2)、 orCAD 中 MOS 管 的模型參數(shù) MOSFET MODEL PARAMETERS MbreakN MbreakP NMOS PMOS LEVEL 1 1 基于 LEVEL 1 模型設(shè)計(jì)各管尺寸 orCAD 軟件 默認(rèn)的 MOS 管的寬長(zhǎng) L W 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 (3)、小信號(hào)偏置情況分析 SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = DEG C NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE (OUT1) (OUT2) (N00372) (N00464) (N16763) (N32125) (N38620) 結(jié)果說(shuō)明：該結(jié)果表明了在 27 時(shí)各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓，由節(jié)點(diǎn)電壓值可以看出 MOS管處于工作狀態(tài)。 (4)、電壓源電流 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V1 V_V2 +00 V_V3 +00 當(dāng) 差動(dòng)輸入的兩個(gè)端口沒(méi)有電流時(shí)，才能正確分析和仿真電路的性能，如 有額外電流，將會(huì)影響整個(gè)電路的性能，以致無(wú)法對(duì)電路進(jìn)行分析。 (5)、電路總功耗 TOTAL POWER DISSIPATION WATTS 分析結(jié)果表 明 電路總 功耗為 ，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的 100mW，所以說(shuō)功耗達(dá)到要求。 (6)、 直流偏置 點(diǎn)信息 OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = DEG C NAME M_M6 M_M4 M_M9 M_M7 M_M8 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 MODEL MbreakN MbreakP MbreakP MbreakN MbreakN ID +00 VGS +00 +01 +00 +00 VDS +01 +01 +00 +00 NAME M_M5 M_M3 M_M1 M_M2 MODEL MbreakP MbreakP MbreakN MbreakN ID VGS VDS +00 +00 該 仿真結(jié)果給出了設(shè)計(jì)電路工作時(shí)各 MOS 管的電流、電壓值。可以看出 M8 管沒(méi)有參與電路工作， 也就是說(shuō) M8 對(duì)電路的輸出不會(huì)產(chǎn)生影響。 而除 M9 管外的其 他 MOS管的 影響較小 ，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)定值。 電路參數(shù) 需要進(jìn)一步的改進(jìn)。 (7)、小信號(hào)直流傳輸特性 SMALLSIGNAL CHARACTERISTICS V(OUT2)/V_V2 = +03直流 增益 INPUT RESISTANCE AT V_V2 = +20輸入阻抗 OUTPUT RESISTANCE AT V(OUT2) = +07輸出阻抗 從仿真結(jié)果 表明 ，小信號(hào)直流增益達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，但是出現(xiàn)了負(fù)增益，這可能是小信號(hào)從兩級(jí) CMOS 運(yùn)放的反相端輸入的緣故，還需要更進(jìn)一步的檢驗(yàn)。 同時(shí) 還 可以看出輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸 出 阻抗，這 完全 符合 CMOS 運(yùn)放的特點(diǎn)。 (8)、直流靈敏度分析 DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = DEG C DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(OUT2) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED NAME VALUE SENSITIVITY(絕對(duì) ) SENSITIVITY（相對(duì)） (VOLTS/UNIT) (VOLTS/PERCENT) V_V1 +00 +03 +02 V_V2 +00 +03 +02 V_V3 +01 +00 從仿真結(jié)果可以看出 ， V1 的靈敏度最高，也就是說(shuō)獨(dú)立電壓源 V1 對(duì) 輸出端 out2 的影響最為明顯。 瞬態(tài)特性分析 瞬態(tài)特性分析的目的是在給定輸入激勵(lì)信號(hào)的作用下，計(jì)算電路輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)。進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，首先計(jì)算 t=0 時(shí)的電路初始狀態(tài)，然后從 t=0 到某一給定的時(shí)間范圍內(nèi)選取一定的時(shí)間步長(zhǎng) ，計(jì)算輸出端在不同時(shí)刻的輸出電平。瞬態(tài)分析的結(jié)果將自動(dòng)存入以 .out 為擴(kuò)展名的數(shù)據(jù)文件中，可以用 probe 模塊分析顯示結(jié)果信號(hào)波形。 瞬態(tài)分析 仿真時(shí)間 設(shè)定。 在 圖 中設(shè)定瞬態(tài)分析仿真時(shí)間為 10us。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 瞬態(tài)仿真選項(xiàng)卡 瞬態(tài)分析 在 信號(hào)頻率不變，只改變信號(hào)幅值的情況下進(jìn)行 的 仿真 。因此，信號(hào)源中的其他參數(shù)不改變，只改變它的幅值 （ VAMPL） 。 （ 1） 、 小信號(hào)放大 分析 圖 顯示的是設(shè)計(jì)電路中小信號(hào)放大時(shí)的 小 信號(hào)源，也就是差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端 所加的信號(hào)源 。 小信號(hào)放大 分析 信號(hào)源 小信號(hào)放大 仿真 時(shí) 信號(hào)源的 VOFF（ 電壓偏置 ） 設(shè)定 為 1， VAMPL（ 幅值 ） 為 設(shè)定1v， FREQ（ 頻率 ） 設(shè)定 為 330KHZ。 得到的 仿真結(jié)果如圖 所示 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 Time0s 1us 2us 3us 4us 5us 6us 7us 8us 9us 10usV(OUT2) 圖 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放小信號(hào)放大仿真 結(jié)果 圖 所示的仿真結(jié)果 表明 輸入正弦小信號(hào) (1V)的情況下，設(shè)計(jì)電路的輸出 信號(hào) 為一正弦曲線，曲線的波峰值為 ， 波谷值為 ， 滿足小信號(hào)放大的需求，驗(yàn)證了 設(shè)計(jì)的合理性。 （ 2） 、 大信號(hào)限幅 分析 圖 顯示的是 對(duì) 設(shè)計(jì)電路 進(jìn)行 大信號(hào)限幅 仿真分析時(shí)采用 的 大 信號(hào)源，同樣是差動(dòng)放大器的一個(gè)輸入端。 圖 大信號(hào)限幅 分析信號(hào)源 大 信號(hào) 限幅 仿真 時(shí) 設(shè)定 信號(hào)源的 VOFF（ 電壓偏置 ）為 1， VAMPL（ 幅值 ） 為 100v，F(xiàn)REQ（ 頻率 ） 為 330KHZ。 仿真結(jié)果如圖 ： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 Time0s 1us 2us 3us 4us 5us 6us 7us 8us 9us 10usV(OUT2)5V0V5V10V 兩級(jí) CMOS運(yùn)放小信號(hào)放大仿真結(jié)果 圖 所示的仿真結(jié)果表示，設(shè)計(jì)電路 在大信號(hào)輸入 (100V)的情況下，波峰值被限制在 ，波谷值也同樣被限制在 0V，說(shuō)明設(shè)計(jì)電路成功的起到了限幅的作用，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)可靠 性。 也就是說(shuō) 隨著 輸入信號(hào) 幅值的增大，信號(hào)開(kāi)始失真，當(dāng)幅值為 100v 時(shí)，出現(xiàn)明顯的失真 大信號(hào) 波形失真的 原因 分析 輸出信號(hào)的幅值 Vo 等于輸入信號(hào)的幅值 Vi 與由運(yùn)算放大器搭成的放大電路的電壓增益 a 的乘積， 即 Vo=Vi*A， 但是 Vo 要受到放大電路的最大輸出幅度限制，放大電路的最大輸出幅度由電源電壓和運(yùn)算放大器的最小失 落電壓差 （入端電壓為零時(shí)，輸出端的電壓不為零）決定 ，而失落電壓是 由電路的線性電抗元件（電阻、電容、電感等）引起的 。例如在電源電壓為 5V、環(huán)境溫度為 25℃ 時(shí)，高電平失落電壓差為 ，低電平失落電壓差為 520mV，那么由它搭成的放大電路的輸出電壓的上下限，就是 。假設(shè)某放大電路電壓增益是 100，如果某一時(shí)刻輸入信號(hào) Vi高電平的幅度超出了 ，為 。那么按照 Vo=Vi*A 來(lái)計(jì)算，放大電路的輸出電壓本來(lái)應(yīng)該等于 4V，但是由于放大電路的輸出電壓的上限只有 ，所 以從 Vi 達(dá)到和超出 的時(shí)候，輸出電壓始終被限制在 而不能隨輸入電壓變化，這種情況通常被稱為 “ 削蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 波 ” 或 “ 削峰 ” ，就是因輸入信號(hào)的幅度太大造成了失真。 因此為了減小失落電壓，必須充分考慮電路本身的性能。 頻率特性分析 在對(duì)設(shè)計(jì) 電路 進(jìn)行 交流小信號(hào)頻率響應(yīng)特性 仿真分析時(shí)， 首先計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)，并在工作點(diǎn)處對(duì) 電路中各個(gè)非線性元件作線性化處理得到線性化的交流小信號(hào)等效電路，然后使電路中交流信號(hào)源的頻率在一定范圍內(nèi)變化并用交流小信號(hào) 等效電路計(jì)算電路輸出交流小信號(hào)的變化。 仿真頻率 選擇 如圖 選項(xiàng)卡 所示 的 1HZ100K。 圖 頻率特性分析選項(xiàng)卡 頻率特性分析時(shí)信號(hào)源的相關(guān)參數(shù) 設(shè)定 如圖 所示： 圖 信號(hào)源的參數(shù) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 頻率響應(yīng)或頻率特性是衡量放大電路對(duì)不同頻率輸入信號(hào)適應(yīng)能力的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。實(shí)質(zhì)上，頻率響應(yīng)就是指放大器的增益與頻率的關(guān)系 ， 由于放大電路中存在電抗元件（如管子的極間電容，電路的負(fù)載電容、耦合電容、射極旁路電容等） ，使得電路的增益受到一定的影響 。如放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的幅值放大不同，就會(huì)引起幅度失真；如放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)產(chǎn)生的相移不同就會(huì)引起相位失真。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)不失真放大所以 需 要研究放大器的頻率響應(yīng)。 輸入 DB（ Vo） 可獲得幅頻特性，輸入 P(Vo)可得到相頻特性。 由于放大器件本身具有極間電容，以及放大電路中有時(shí)存在電抗性元件，所以，當(dāng)輸入不同頻率信號(hào)時(shí)，電路的放大倍數(shù)將成為頻率的函數(shù)，這個(gè)特性就是頻率特性 。 所設(shè)計(jì)電路的 頻率特性 仿真結(jié)果如圖 示： Frequency 10H