实践1 最简单的CMOS运放

jokerxb

目前已更新
模拟IC基础理论部分

1   模拟IC之始
2   偏置电路基础
3    基准BGR的理论基础
4    运放的理论基础

5    本征噪声模型

本贴为模拟IC基础实践部分

1 最简单的CMOS运放

目录：

1 本贴概述

2 理想放大器

2.1 理想放大器的模型

3 非理想放大器模型

4 单极运算放大器（对运放的理论有问题可以看一下我写的4 运放的理论基础）

4.1 共源放大器

4.2 最经典的五管差分

4.2.1 AC交流仿真

4.2.2 3dB带宽

4.2.3单位增益带宽积GBW

4.2.4 建立时间 settling time

4.2.5相位裕度

4.2.6  转换速率  （Slew Rate)

4.2.7 共模抑制比CMRR

4.2.8电源抑制比PSRR

5 两级运放设计实践：

  题目：根据第4节的共源放大器和五管放大器设计一个两级运算放大器，运放采用密勒补偿结构。

要求：

  (1) Av>6000

  (2) PM>60°

  (3) 负载电容CL=10pF

  (4) GBW=5MHz

  (5) 输入共模范围ICMR为1~2.5V

  (6) SR>10V/us

  (7) Vout输出范围0~3.3V

  工艺不限。

5.1 计算分析得出参数

5.2  AC仿真（Av和PM）

5.3 直流扫描分析

5.4 失调电压Vos分析

5.5 输入共模范围仿真

5.6 输出动态范围仿真

5.7  CMRR仿真

5.8  PSRR仿真

5.9 瞬态参数仿真

声明：因为太久没有使用cadence，本贴为贴主复习cadence使用的学习笔记，因此过于基础和繁杂。

1 本贴概述

  运算放大器简称OP，通过选取恰当的外部元件，可以实现放大、加、减、积分、微分运算，从而在电路中实现各种功能，如直流偏置的产生到高速放大或滤波。因此运算放大器是许多模拟系统和混合系统中的一个重要部分。

  本贴主要是对单极CMOS运放的分析和设计，之后结合CS和五管差分设计一种最简单的二级运放。

2 理想放大器

对于理想放大器，

1 Vp是同相输入端，即输入信号和Vout输出信号相位相同，VN是反相输入端。

2 虚短: 差分输入电压VD=Vp-VN=0

3 虚断：输入电阻无穷大

4  Vout=Av*VD 即Av=Vout/VD=一个有限值/0=无穷大，即有无穷大的差模电压增益

5 输出电阻为0

2.1 理想放大器的模型

很明显，理想放大器就是一个压控电压源(电压控制电压），简称VCVS,

创建ideal_op电路图，快捷键i导入VCVS

画好原理图：

电压增益设为1000，60dB

Linear为线性放大，

Type of source选VCVS

输出电压范围为-500v~500V

生成symbol:

仿真：

输入差分信号为-0.6-0.6的三角波，输出放大1000倍，被限制在-500v~500v

输入VP和VN设置：

VP:

VN：

3 非理想放大器模型

4 单极运算放大器（对运放的理论有问题可以看一下我写的4 运放的理论基础）

4.1 共源放大器

画恒流源做负载的CS:

mp管的偏置为Vbias

VDD GND SUB接电感ind模拟封装时的寄生电感和电阻

参数设置：

对Vbias和Vin进行扫描，让直流特性曲线斜率最大得到最大的Av,

从0扫到5V,

选Vbias为3.5V，和Vin为1V较为合适

AC仿真：

20多倍，和理论分析差不多，单极放大器增益在几十和100之间。

（通过调Vbias和VIn 增益肯定能够更大一点，上次随便调了下有50多，意义不大，了解一下就行）

4.2 最经典的五管差分

画图：

创建symbol:

建立仿真电路看Av，单极增益20多

4.2.1 AC交流仿真

可以按m和v进行标点

我个人比较喜欢add marker 直接输入出点，

另外一种查看波形十分简便的方式：

左边的窗口可以完成文件的选择、打开和切换；右边的窗口中可以选择左边窗口选中文件夹内的数据，或进入子文件夹。

  我们要看交流仿真进入ac-ac

在这里选择信号要输出的类型，

输出即可 很方便

4.2.2  3dB带宽

两种方法

1直接看输出波形然后标点得到 3dB带宽为18.32kHz

2 用Claculator精确计算：

对Vout点击计算器，选择bandwith函数（默认为3dB) ，再点击Eval得到精确结果

4.2.3  单位增益带宽积

1 直接看

仿真图已经标出316.6Mhz

2 计算器精确算：

1 保证 clip grap selection选中

2 选择ac vf 点击原理图的输出口

3 使用cross函数 该函数是专门用来计算曲线经过一个特定阈值时的横坐标，计算单位增益带宽把阈值设为1即可，

Cross函数四个选项含义:

Apply 应用设置，Eval计算出结果，329MHz

4.2.4 建立时间 settling time

  建立时间表示从跳变开始到输出稳定的时间，是衡量运算放大器反应速度的一个重要指标。主要针对运算放大器的小信号特性，在整个跳变过程中，运算放大器仍然保持线性。

在这里为了方便，假设负反馈运算放大器只有一个极点，下图是这样的负反馈系统对一个幅值为b的单位阶跃信号的响应，并给出了输入信号，负反馈系统传递函数的拉普拉斯变化。

输出电压精度与响应时间常数的关系如下：

如果输出电压和最终值之间的误差为2%则任务输出稳定，由上表知，需要的时间为4τ，

通过对系统响应的要求得到运放的GBW要求。

tran仿真设置

输入阶跃信号设置如下：

计算建立时间：

在tran选择vt，在原理图中选中vout，点击settling time 函数

将1ns作为输出电压初始值，190ns作为输出电压结束值，容差范围为2%，计算：

得到settling time 为14.35ns

与理论计算相比：

时间常数τ=1/329M=3ns,恢复到容差2%为4τ=12ns，和仿真14ns差不太多，虽然有一定的误差，但是这说明利用运算放大器的单位增益带宽预测改放大器的反馈系统的建立时间是可行的。

4.2.5  相位裕度

1是直接看图 2是phaseMargin函数即可 PM=73.78°

4.2.6  转换速率  （Slew Rate)

来看一下我在模拟IC基础理论部分 4 运放的理论基础 关于SR的描述：

物理意义是就是电压对时间取导

我们在上面的五管差分中输出端加一个3p的电容

可以看到，加了电容后，Vout在跳变过程中不是没加电容的指数规律变化，而是具有较为不变的线性斜率，输出响应知道“斜坡”部分斜率就是SR转换速率

使用slewRate函数计算SR:

前五个和settling time时间一样

后两个设置：

SR=0.04489V/us

4.2.7  共模抑制比CMRR

  差动放大器的一个重要特性就是其对共模扰动影响的抑制能力

根据法二来仿真出CMRR,

使用计算器1/x，曲线的倒数就是CMRR

4.2.8  电源抑制比PSRR

以下为理论部分5 本征噪声模型中截取的图片：

在实际的使用中，电源也是有噪声的，要考虑到电源噪声对输出信号的影响，把运算放大器输入到输出的增益除以电源到输出的增益定义为运放的电源抑制比PSRR

注意:vdd=0和vin=0是指电压源和输入电压的交流小信号为0，而不是直流电平为0

因为M3支路电源恒定为Iss/2,又M3为diode,X与VDD的压差恒为|VGS|，意思就是X电位和VDD交流短路，X电位随VDD变化而变化，又差分输入Vid=0时，Vout=Vx，所以VDD到Vout的增益近似为1，

类比与CMRR的计算方式来求PSRR：

电路：

使用1/x函数：

5 两级运放设计实践：

  题目：根据第3节的共源放大器和五管放大器设计一个两级运算放大器，运放采用密勒补偿结构。

要求：

  (1) Av>6000

  (2) PM>60°

  (3) 负载电容CL=10pF

  (4) GBW=5MHz

  (5) 输入共模范围1~2.5V

  (6) SR>10V/us

  (7) Vout输出范围0~3.3V

  工艺不限。

根据题目要求，为了让手算较为准确，不采用很小的工艺的,在这里选择0.35 um CMOS工艺，电源电压为3.3v

工艺参数如下

Kp=70uA/V2,Kn=240uA/V2，VTHn=0.55V，VTHp=0.85V

先画出电路图：

加了一个PWD使能健，0 Enable ,1 disable

为了让电路清晰一点，把电路输出为pdf

注意一下五管差分左边为同相端、右边为反相

二级运放因为五管加了CS，左边为反相端、右边为同相

建立symbol

尽量搞得好看一点，使用快捷键shift+N 把OTA加到symbol上，这样调用起来清晰美观

5.1 计算分析得出参数

在理论分析4运放的密勒补偿中得到以下结论：

OK，现在根据已知条件进行分析

设计参数为：

	W	L	fingers
PM0/PM1	10u	1u	10
PM2	78u	1u	78
NM0/NM1	4u	2u	2
NM2/NM3	7u	1u	7
NM4	26u	1u	26
PWD使能
NM8	1u	1u	1
NM6/NM7	1u	1u	1
PM3/PM￥	2u	1u	1
VDDA	3.3v	GNDA	0v
Cm密勒补偿电容	3pf	CL负载电容	10pf

5.2  直流仿真和AC仿真（Av和PM）

发现增益带宽积GBW小于5MHz，微调一下密勒补偿电容Cm为2.5pF继续仿真

低频增益为79dB，满足要求，GBW也满足要求

相位裕度PM=62°,满足要求

看一下直流工作点：

与计算分析的基本一致

5.3 直流扫描分析

5.4 失调电压Vos分析

Vos一般是温度的系数，dc仿真温度从-40到125

5.5 输入共模范围仿真

对INP进行扫描

输入共模范围满足1~2.8V要求

5.6 输出动态范围仿真

5.7  CMRR仿真（CMRR和PSRR仿真原理见五管差分仿真对应部分）

用计算器求倒数：

5.8  PSRR仿真

倒数：

5.9 瞬态参数仿真

激励源pwl设置：

SR：11V/us满足要求

Settling Time:

2.225us-2us=0.225us

总结：

GBW	5.153Mhz
增益	79dB
相位裕度	62°
SR	11V/us
settling TIme	0.025us

其他要求也均满足。

下一次更新为设计全差分高增益运算放大器，

注意：1 运放的偏置电路设置

         2 折叠共源共栅

         3 共模反馈结构的设计和选择

本贴参考：

B站chris:模拟IC设计实践入门

吴金《CMOS模拟IP线性集成电路》

陈莹梅 《模拟集成电路EDA技术与设计》

何乐年 《模拟集成电路设计与仿真》

icroad

多谢分享

chq_yanxue

谢谢分享

barry_zhang

谢谢分享

放糖哦哦哦

太感谢了，你做了我想做很多次又拖延的事情，向你学习学习。

liulongchao

thanks for sharing

晴冷天吻雪

多谢分享

jozhizhou

fushin

真好

www_analog

看看