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1、.CMOS两级运算放大器设计及仿真实验报告.班级：学号：姓名：日期：.一、运算放大器设计简介运算放大器是许多模拟及数模混合信号系统中一个十分重要的部分。各种不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。运算放大器的设计可分为两个步骤。第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图。确定好的电路结构不能轻易修改。运算放大器的电路结构确定之后需要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电容等关键参数。为了满足运放的交流和直流需要，所有管子必须设计出合适尺寸。在手工计算的基础上， 运用 CandenceVirtuoso电路设计软件进行图形绘制，参数赋值， 仿真分析。
2、在分析仿真结果的基础上判断电路是否符合设计要求。若不符合， 再回到手工计算，调试电路。二、设计目标电路参数要求：(1) 直流或低频时的小信号差模电压增益Avd = 4000V/V(72dB)(2) 增益带宽积GBW = 10MHz(3) 输入共模电压范围Vcm,min = 0.4V， Vcm,max = 1.5V(4) 输出电压摆幅0.2V Vout 1.5V(5) 相位裕度PM=60(6) 负载电容CL = 1pF(7) 电源电压VDD = 1.8V使用 CMOS-90nm工艺库。.三、电路设计1. 电路结构最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图所示。主要包括四大部分：第一级
3、双端输入单端输出差分放大级、第二级共源放大级、直流偏置电路及密勒补偿电路。2. 电路描述输入级放大电路由PM0、 PM2、 NM1、NM3组成，其中PM0与 PM2组成电流源偏置电路，NM1与 NM3组成差分放大电路，输入端分别为IN1 和 IN2 ，单端输出。如下图所示。.输出级放大电路由 PM1和 NM4组成，其中 PM1为共源放大级电路， NM4为电流源偏置电路。如下图所示。电流源偏置电路由NM0、NM2与 NM4组成，其中 NM0接偏置电流源， 电流源电流为30uA。如下图所示。选取电源电压为1.8V 。共模输入电压设为500mV，差模输入电压设IN1 、 IN2 为 5uV 交流小信
4、号，方向相反。如下图所示。.3. 参数估计第一级放大电路的电压增益：第二级放大电路的电压增益：两级放大电路总增益：增益带宽积：设置直流工作点：对单个 nmos管进行 gm/Id 、 Id/w 与 Vgs 图形仿真，如下图所示。.取 gm/Id 为 10， Vgs 为 0.3V ，可得差动放大级单边电路偏置电流为15uA。根据镜像电流源的特性可设置Iref为 30uA。设置第二级共源放大级直流偏置电流为34.3uA 。宽长比计算如下：偏置电路：NM0 4.5NM2 4.5NM4 5.15差分放大电路：PM0 1.875PM2 1.875NM1 15NM3 15共源放大级：PM1 4.7密勒补偿电
5、路参数配置Rc 10KCc 3pF四、仿真调试测试环境搭建。 tran为扫频时间， 设置输入信号频率为1KHz，因此 tran值设置为10ms。扫频范围为1 至 100GHz。并保存直流工作点信息。如下图所示。.测试第一级差动放大级的放大倍数。如下图所示。放大倍数大约为250 倍，红色线条为第一级输出。相当于本征放大增益的平方。测试两级放大电路的放大倍数。如下图所示。.四条波形线分别为差动输出级、IN1、 IN2 、 OUT。便于观察放大倍数，将放大倍数及带宽截图如下。放大倍数约为11000 倍，带宽为1KHz。因此增益带宽积大于10 MHz。相位与放大倍数的关系如下图所示。.在增益降为0dB 的时候，相位降幅大约为110 度，即相位裕度大约为70 度。五、实验结果电路仿真参数：(1) 直流或低频时的小信号差模电压增益Avd = 11000V/V(80dB)(2) 增益带宽积GBW = 11MHz(3) 输入共模电压Vcm = 0.5V(4) 输出电压1.3V Vout 1.4V(5) 相位裕度PM=70度(6) 负载电容.CL = 1pF(7) 电源电压VDD = 1.8V(8) 密勒补偿电容及电阻Rc = 10KCc = 3pF仿真参数满足设计要求。.