两级全差动运算放大器的设计

华中科技大学

IC课程设计

两级全差动运算放大器的设计

年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师:

二零一一年十二月

摘 要

应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。可以满足一定的高速度、高精度的指标。两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。因此，优于一些传统的两级运算放大器。

关键词：全差动运算放大器； 共源放大器； 折叠式放大器

1

Abstract

A fully differential operational amplifier with a DC-gain of 86dB and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process.It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefore,it is better than some of the traditional operational amplifier.

Keywords: fully differential operational amplifier; common-source

amplifier; Folding amplifier

2

目录

摘 要........................................................................................................................ 1 Abstract........................................................................................................................ 2 1.引言............................................................................................................................ 4 2. 两级全差动运算放大器设计要求.......................................................................... 4 3. 电路分析与设计...................................................................................................... 4

3.1.第一级运算放大器设计................................................................................. 5

3.1.1第一级差模电压增益........................................................................... 6 3.1.2.共模电压输入范围.............................................................................. 6 3.1.3.第一级增益带宽积GBW....................................................................... 7 3.1.4.第一级MOS管宽长比.......................................................................... 7 3.1.5.第一级仿真结果.................................................................................. 7 3.2.第二级运算放大器设计................................................................................. 8

3.2.1.第二级差模电压增益.......................................................................... 9 3.2.2.偏置电压与偏值电流.......................................................................... 9 3.2.3.增益带宽积与负载电容...................................................................... 9 3.2.4.第二级MOS管宽长比.......................................................................... 9 3.2.5.第二级仿真结果................................................................................ 10 3.3.两级联仿....................................................................................................... 10

3.3.1.差分压摆率........................................................................................ 11 3.3.2.静态功耗............................................................................................ 11 3.3.3.等效输入参考噪声............................................................................ 11 3.3.4.相角裕度............................................................................................ 12 3.3.5.两级联仿结果.................................................................................... 13

4. 结论........................................................................................................................ 13 致 谢...................................................................................................................... 14 参考文献...................................................................................................................... 14 心得体会...................................................................................................................... 15

3

1.引言

随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。另外，差动输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此，本文讨论并设计了满足一定要求的差动输入——差动输出（即全差动）运算放大器。

2.两级全差动运算放大器设计要求

根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18um CMOS工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：

电源电压： 第一级增益： 第一级GBW: 两级增益： 相位裕度： 差分压摆率： 等效输入参考噪声： 负载电容： 静态功耗： 1.8V ≥20dB ≥500MHz ≥80dB ≥60o ≥200V/us 200nV/Hz@1MHz ≤1pF 尽可能小 3.电路分析与设计

首先，可以对典型的差动输入——差动输出运算放大器进行分析，通常运算放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。这些部分在电路工作的时候都起到了不同的功能。下面介绍一下全差动运算放大器各功能模块的作用。

4