两级全差动运算放大器的设计(3)

3.2.5.第二级仿真结果 把参数设置如下

VVddb4?1.8V?1.3VVb2?0.8VVCcb3?0.5VI?10?A?80fF

进行仿真得到如图结果。

我们可以看到第二级的差模电压增益为56dB,满足

Av2?56dB?50dB

图4

3.3.两级联仿

把第一级放大和第二级放大电路串联起来，得到两级联仿的电路图如下：

图5.两级联仿电路图

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3.3.1.差分压摆率

差分压摆率，即转换速率，是当放大器在大信号输入时，输出电流的最大驱动能力，定义为

SR?dvdtoutmax?ICmaxCC

利用上面的公式可以得到，

第一级的转换速率: SR1?ICMp021,其中C1为第一级放大器的负载电容，它实际上是管子寄生电容

的总和。

第二级的转化速率： SR2??C2IcMp1L?C?，其中Cc为补偿电容，CL为负载电容。

所以，放大器的转换速率为

SR?min?SR1,SR2?

因此，放大器的转换速率SR?200V/?s。

3.3.2.静态功耗

运算放大器的静态功耗为P?V可能地小，又因为V?I。其中I为静态电流。如果静态功耗确

dd定下来了，那么就可以确定整个电路的工作电流。因为设计要求要使静态功耗尽

dd?1.8V已经确定。因此，要使静态功耗尽可能地小，可以

采取源极反偏法、双阈值法、多阈值法或变阈值法。 3.3.3.等效输入参考噪声

我们知道每一个MOS管都有一个可以等效到栅端的输入参考噪声，如图所示。

图6.MOS管的噪声来源和等效输入参考噪声

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所以，它的等效输入参考噪声可以写成

v2n,in?4kT23gm?KWLCf?ox1f

式中右边的第一项表示由于沟道电阻产生的热噪声在输入端的表现，第二项表示MOS管的闪烁噪声。

由于第二级的噪声要除以第一级的增益才反映到输入端，因此会比较小，所以可以忽略不计。因此，整个电路的输入端噪声主要来自于第一级。所以，整个电路的输入端的等效参考噪声可以表示为

v2n,in?2g?2mn01?4kT?2??2?3g2?3gmipnmipn?????2??WL??Kf?mipnCox?1f?2?Kf?WL?mn01Cox?1f?gg2mn012mipn

3.3.4.相角裕度

直接两级联仿的波特图如下，可以明确看到相角裕度出现了问题，因此，针对此问题可以利用电容来补偿。

因此，将添加两个补偿电容:Cc?200fF 将补偿电容接入后得到的仿真电路图为

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3.3.5.两级联仿结果

因为设计要求要使负载电容小于1pF，因此，在做两级联仿时，将负载电容

CL设为1pF。因此，满足设计要求。

通过运用Hspice仿真,可以得到最后的仿真波特图如下：

由上图可以得到，两级联仿的增益为86dB，相角裕度为83.6°，GBW=360MHz，达到设计要求。

4.结论

通过修改各个管子的宽长比以及添加相位补偿电路，最后使第一级放大器的差模电压增益达到了30dB,增益带宽积超过了500MHz；使第二级放大器的差模电压增益达到了56dB；两级联仿时，整个电路的差模电压增益为86dB，相角裕度为83.6°，GBW=360MHz，负载电容为1pF。因此，达到了设计的要求。同时，也可以看出来两级全差动运算放大器比普通的两级运算放大器的电压增益高许多，这也是使用较为广泛的原因之一。但是，在降低静态功耗上还是出现了一些问题可以再做优化。

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致 谢

在本文即将完成之际，谨此向我的助教表示衷心的感谢！在做课设期间，我们一共有三次答疑的机会，但因为有事而错过了第一次答疑。在后面的两次答疑中，我们的助教仔细耐心地给我们讲解如何使用Hspice，如何用Hspice编写网表。同时，在此期间助教也给了我们很多有用的资料。这些资料对我们来说非常重要，它不仅讲了编写网表的一些语法，还提供了一些例子。在对这些资料的自学和研究中慢慢地学会了。因此，我要感谢助教！

其次，我要感谢我的队友，他们两个也非常支持我的工作。每次我叫他们去答疑，他们都非常乐意。同时，在我们讨论的时候，他俩也比较积极。

最后，我要感谢帮助过我的所有的老师和同学！

参考文献

[1].何乐年，王忆，模拟集成电路设计与仿真[M]，北京：科学出版社，2008 [2].魏廷存，陈莹梅，胡正飞，Analog CMOS IC Design模拟CMOS集成电路设计[M]，北京：清华大学出版社，2010.3

[3].岳松洁，全差分运算放大器设计[D]，湖南大学，电子信息工程，2009

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心得体会

刚开始的时候，我感觉IC课设是一件非常难的事。特别是知道自己抽到的题是模电的时候，我心中完全没底。因为之前只用过verilog编程做数电的设计，而从来没有接触过Hspice，也不知道怎么写网表。因此，刚拿到题的那天下午，我就连忙在网上查找资料，但是收获不是很大，没找到多少有用的资料。主要原因是对这方面不是很了解，找资料的时候也不知道找哪方面的。在第二天，我又跑到图书馆去借了两本有关两级全差动运算放大器设计的书，还好在后面的学习中这两本书还是起到了非常大的作用。

本来就不怎么懂得我又因为有事错过了第一次答疑，因而前一段时间基本上没怎么做，完全是在盲目地找资料，盲目地学习。因此，浪费了很多时间。第二次答疑的时候，我们组都去了，助教逯召静给我们几个抽到第八题的同学讲了讲怎么使用Hspice这个软件以及如何编写网表，同时也给我们了些资料让我们自学。因为我们第八题采用的是0.18umCMOS工艺，因此，助教也把0.18um的一个库文件给了我们，叫我们先自己试着编写一下网表。在给我们的资料中，有一份教我们如何编写Hspice网表的资料非常有用。在编写网表之前，我先看了那份电子资料，上面讲的很仔细，对我的帮助很大。也全靠这份资料我才懂得了如何去写网表。经过一次大以后，再加上自己的学习感觉收获很大。

在最后一次答疑时，助教又给我们演示了如何运用Hspice，如何编写网表来做分析，并且又给我们了些资料，也给我们了一个例子。通过对这些资料了研究，最后终于明白了，也感觉突然明朗了起来。原来编写网表是一件非常简单容易的事情，当然后面的调整宽长比、添加相位补偿电路等程序也就很轻松的。总结出一点就是只要肯花时间肯努力，没有解决不了的问题。

其实，最让人头痛的是计算，比如说差分压摆率以及等效输入参考噪声等等，因为这些以前接触的不多，不是很熟悉，因而感觉很头大。但是，通过查找资料还是把它们的计算公式推导出来了。

总的来说，这次IC课设我收获很多，不仅学到新的知识，让自己的视野更加广阔了，还在这个过程中提高了自学和独立研究的能力。

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