两级运算放大器设计与仿真

news2024/12/24 11:12:50

两级运算放大器的设计与仿真

0.两级运算放大器的设计步骤

运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。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。伴随者每一代 CMOS 工艺，由于电源电压和晶体管沟道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。
运算放大器的设计可以分为两个较为独立的步骤，第一步是选择或搭建运放的基本结构，绘出电路结构草图，第二步就要选择直流电流，手工设计管子尺寸，以及设计补偿电路等等，然后在手工计算的基础上，运用模拟电路仿真软件对设计的两级运放进行仿真，并对电路进行后续的调试和修改。

1. 电路分析

1.1 电路结构

常见的 COMS 二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图 2.1 所示。主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。
在这里插入图片描述
图2.1

1.2 电路描述

第一级为PMOS作为输入管的五管差分对，提供高增益并且可以有效抑制共模信号干扰。第二级为共源级放大电路，由M6、M7构成，为电路提供大的输出摆幅，并进一步提高增益。M14和Cc跨接在第一级输出级和第二级输出级之间，起相位补偿作用，M14工作与线性区，通过偏置电路控制其导通电阻。偏置电路由 M8～M13 和 RB 组成，这是一个共源共栅 Widlar 电流源。M8 和 M9宽长比相同。M12 通常是 M13 的几倍，源极加入了电阻 RB，组成微电流源，产生电流 IB。对称的 M11 和 M12 构成共源共栅结构，减小沟道长度调制效应造成的电流误差，同时还为 M14 栅极提供偏置电压。

1.3 静态特性分析

第一级的电压增益为：Gm1R1，Gm1为M1,2跨导，R1为M2、M4输出阻抗并联。第二级的电压增益为：Gm2R2，Gm2为M6跨导，R2为M6、M7输出阻抗并联。
总的直流电压增益为：Gm1Gm2R1R2＝gm1gm6(ro2//ro4)(ro6//ro7)
将 VGS－VT简写作 VGST，有：
在这里插入图片描述

电阻 ro由下式决定:
在这里插入图片描述

其中 λ 是沟道长度调制系数，VE 为厄利电压，L 为管子的有效沟道长度。
将gm和ro分别替换得到：
在这里插入图片描述

可见，两级运放的直流增益与过驱动电压 VGST和λ成反比，而 L 增大λ将减小，因此，为了得到较高的增益，应当选取较小的过驱动电压和较大的沟道长度。

1.3.1 偏置电路分析

偏置电路由 M8~M13 构成，其中包括两个故意失配的晶体管 M12 和 M13，电阻RB串联在 M12 的源极，它决定着偏置电流和 gm12，所以一般为片外电阻以保证其精确稳定。为了最大程度的降低 M12 的沟道长度调制效应，采用了 Cascode 连接的 M10以及用与其匹配的二极管连接的 M11 来提供 M10 及M14的偏置电压。最后，由匹配的 PMOS器件 M8 和 M9 构成的镜像电流源将电流 IB复制到 M11 和 M13，同时也为 M5 和 M7提供偏置。

下面进行具体计算：
镜像电流源 M8 和 M9 使得 M13 的电流与 M12 的电流相等，从而有
在这里插入图片描述

且，
在这里插入图片描述

联立上面两式得：
在这里插入图片描述

整理得：

在这里插入图片描述

一般的，我们取W/L12＝4*W/L13

1.3.2 调零电阻分析

位于线性区的M14充当该两级运放的调零电阻，其中 M14 管的电阻为：
在这里插入图片描述

我们设置偏置电流使得 M11 与 M14 的源极电压相同，从而使得VGS11＝VGS14，需满足：VGS13＝VGS6，从而：
在这里插入图片描述

并且
在这里插入图片描述

将上式带入Rz,我们得到：
在这里插入图片描述

1.4 小信号分析

1.4.1 零极点分析

两级运算放大电路小信号等效模型入下图所示：
在这里插入图片描述
其中，R1、R2分别为第一级、第二级输出阻抗，C1＝Cdb2＋Cdb4＋Cgs6（Cgs6为C1的主要成分），C2＝Cdb6＋Cdb7＋CL（CL为C2的主要成分）
列KCL节点电流方程：
在这里插入图片描述

解KCL方程并化简零极点得到：

P1＝1/(Gm2R1R2Cc)
P2＝Gm2/C2
P3＝1/RzC1
Z＝1/Cc(Rz-1/Gm2)

Av＝Gm1Gm2R1R2
GBW＝Gm1/Cc

1.4.2 相位补偿分析

通过调节M14和M11的长宽比可以起到调节Rz阻值大小，实现移动右半平面零点的作用。如果将零点移到左半平面并与第二极点重合，这样一来可以起到消去第二极点的作用，这要求：
在这里插入图片描述

但在实际的电路实现中，在负载电容未知或者运放工作过程中负载电容发生变化的情况下，很难使得零点和第二极点精确抵消。另外，即使在设计时使得零点的位置等于第二极点，由于工艺波动和寄生电容的影响，会使得 Rz 和电路中其它相关的参数偏离原先的设计值，这样一来两者不能够完全抵消，反而会形成相邻的零、极点对，会对电路的瞬态性能产生不利的影响。

如果将零点移到左半平面略大于 GBW 的位置（一般为 1.2 倍 GBW 处），从而使得相位超前，可以提高电路的稳定性。这就需要：
在这里插入图片描述

同时使非主极点 p2在 1.5GBW 处，本次二级运算放大器设计采用这种方法来补偿相位。

2. 电路设计

2.1 设计指标

设计指标如下表：

设计指标
AVDD1.8V
AVSS0V
负载电容3pf
静态功耗≤0.5mW
开环直流增益≥65dB
相位裕度≥60°
GBW≥50MHz
转换速率≥20V/us

2.2 设计步骤

1.选择Cc的大小。
Cc取值通常为CL的三分之一左右，暂取1.5pf。考虑压摆率指标（IDS5/Cc≥30V/us），得IDS5≥45uA。
2.分配各支路电流。
IDS5＝50uA IDS7＝200uA ID8＝ID9＝10uA，270uA×1.8V＝0.486mW（＜0.5mW），满足静态功耗指标。
3.相位补偿。
由1/Cc(Rz-1/Gm2)＝1.2×Gm1/Cc，Gm2＝1.5×Gm1/Cc，得Rz＝(1/1.2＋gm1/gm6)×1/gm1; gm6/gm1≈5。
4.选择过驱动电压。
VDSAT1降低有助于提高电压增益、共模抑制比以及电源抑制比，并且在同等电流前提下，过驱动越小，跨导越大。因此VDSAT1尽量取小，这里取VDSAT1＝100mV。
5.计算M1,2宽长比。
已知 ID1＝25μA，VDSAT1＝0.1V，计算得：(W/L)1,2≈37。
6.计算 M3,4、M6、M5和 M7的宽长比。
为使M5不进入线性区，VDSAT5不能过大，取VDSAT5＝300m，得(W/L)5＝8.29，为方便其他MOS管设计，取(W/L)5＝10；ID7＝4ID5，故(W/L)7/(W/L)5＝4/1，得(W/L)7＝40；由gm6/gm1＝5，ID6＝8ID1＝8ID4，计算得：VDSAT6≈160mV，(W/L)6≈180；且VGS4近似等于VGS6，有(W/L)3,4/(W/L)6＝1/8，得(W/L)3,4＝21.875，取(W/L)3,4＝22。
7.计算 M8,9、M10,11、M12、M13的宽长比和 RB 的阻值。
取(W/L)12＝4*W/L)13；由VGS13＝VGS6可得，(W/L)13＝(IRB/ID6)×(W/L)6,(W/L)13＝9,因此W/L)12＝36；带入式IB表达式中可解得：RB≈8061Ω；ID9/ID7＝10uA/200uA＝(W/L)9/(W/L)7，得(W/L)9＝(W/L)8＝2；将Rz＝(1/1.2+gm1/gm6)×(1/gm1)带入Rz表达式求解，取(W/L)14＝16,计算得(W/L)10,11＝2。

至此器件参数设计完成，由于沟道调制效应以及体效应的影响，各支路电流、MOS管跨导及过驱动电压较设计值会存在一定误差，并且由与M6管宽长比很大，将引入很大的寄生电容，使得C1变大，P3极点变小，使相位裕度减小，将在后面的电路仿真讨论。
最终得到的器件参数如下:

M137um/1umM237um/1um
M322um/1umM422um/1um
M510um/1umM6180um/1um
M740um/1umM82um/1um
M92um/1umM102um/1um
M112um/1umM1236um/1um
M139um/1umM1416um/1um
Cc1.5pFRB8.06kΩ

3. 电路仿真

使用Cadence virtuoso IC618对该两级运放进行电路仿真，采用tsmc65nm工艺库完成电路搭建，如下图所示：
在这里插入图片描述

3.1 DC直流仿真

完成电路原理图搭建后，在ADE L 仿真器中输入预设参数，选择DC分析，输入共模电平为0.9V。
在这里插入图片描述

DC仿真结果如下：
在这里插入图片描述
由于沟道调制效应以及体效应的影响，IRB实际值小于10uA，减小RB值使IRB接近10uA，并且由于W/L1较W/L5大很多，M1,2过驱动电压将远小于M5，这就容易使M1、M2进入亚阈值区，这里M1、M2选择低阈值NMOS管。输出共模电平为980mV。

输入共模范围

输入共模范围即放大器第一级所有 MOS 管工作在饱和区的共模输入电压范围。共模输入范围仿真方法如下：
calculator-OS可查看器件DC参数，选中M0、M3以及M5的region参数，查看器件的工作区域，其中region＝0为关断区，region＝1线性区，region＝2饱和区，region＝3亚阈值区，region＝4击穿区。
在这里插入图片描述
DC参数扫描，设置变量为VIN_CM，扫描范围为（0，1.8V）,扫描结果如下：
在这里插入图片描述

共模输入范围为（0.5V，1.58V）

输出电压摆幅

该两级运算放大器的最大输出电压摆幅为VDD-2*VDSAT，输出电压摆幅仿真方法如下：
在运放一端施加0.9V电压，另一端在0.9V±10mV范围内扫描DC电压，同时画出VOUT：
在这里插入图片描述
在0.9V±1mV范围内继续扫描DC电压：
在这里插入图片描述
输出电压范围为：（175mV，1.66V），输出电压摆幅为(1.66-0.98)×2＝1.36V

3.2 ac仿真

幅频响应

ac小信号仿真结果如下：
在这里插入图片描述
仿真结果显示GBW和PM均小于设计指标。PM小于45°，因此P2位于GBW内，且P2＝gm6/2πCL≈100MHz＞GBW。
在这里插入图片描述
分析发现W/L6很大，导致其寄生电容很大（约为1.45pF），1/(RzC1)≈48MHz
在这里插入图片描述
将M6的W、L同时减半以减小该寄生电容，仿真发现：

在这里插入图片描述
Cgs减小为0.36pF,PM约为60.7°，GBW约为54.55MHz满足指标要求，但由于M6沟道长度减半，沟道调制效应变得更加显著，为了平衡M6、M7电流，输出共模电平升高，将极大减小输出电压摆幅。
因此，仍保持M6宽长不变，尝试移动左零点补偿该寄生电容引起的极点。
在这里插入图片描述
M14的宽长比控制着Rz的大小，通过扫描M14的宽长比发现，当W/L14＝12时，满足GBW指标要求,但仍不满足PM指标。
为了获得更好的PM和GBW指标，将W/L1修改为50，W/L10和W/L11修改为1，W/L14修改为9，对Cc值进行参数扫描：
在这里插入图片描述

Cc修改为2pF，PM和GBW均达到指标要求，适当的增大Cc可以获得更好的相位裕度，但Cc增大同时会减小GBW和压摆率。

PSRR

PSRR+：
正电源抑制比(66.3+5.45)≈72dB
在这里插入图片描述
PSRR-：
负电源抑制比(66.3+19.54)≈86dB
在这里插入图片描述

3.3 tran仿真

压摆率

给差分输入管一端施加脉冲阶跃信号，选择tran分析，画出VOUT输出曲线，点击measurement-transient measurement，仿真得压摆率为28.9V/us＞20V/us

在这里插入图片描述

3.4 noise仿真

由于第二级噪声等效到输入端需要除以第一级增益，因此两级运放的噪声集中在第一级。输入噪声电压由热噪声和闪烁噪声两部分组成：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在中低频段，闪烁噪声为主要部分，其等效输入参考噪声电压为：
在这里插入图片描述

所以，一般采用增大输入管面积的方法来优化电路的噪声性能。

noise仿真结果如下：

在这里插入图片描述

输入参考噪声电压为48.17nV/ √Hz@1KHz。

4.仿真结果

Cadence仿真结果见下表：

器件最终参数

M150um/1umM250um/1um
M322um/1umM422um/1um
M510um/1umM6180um/1um
M740um/1umM82um/1um
M92um/1umM101um/1um
M111um/1umM1236um/1um
M139um/1umM149um/1um
Cc2pFRB7.5kΩ

性能指标

性能指标
输入共模范围（0.4V，1.62V）–
输出电压范围（175mV，1.66V）–
输出电压摆幅1.36V–
负载电容3pf＝3pF
静态功耗(276.3uA×1.8V)＝0.497mW≤0.5mW
开环直流增益66.3dB≥65dB
相位裕度61.7°≥60°
GBW54.62MHz≥50MHz
转换速率28.9V/us≥20V/us
等效输入噪声48.17nV/ √Hz @1KHz≤ 300 nV/ √Hz @1KHz

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：http://www.coloradmin.cn/o/821170.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系多彩编程网进行投诉反馈，一经查实，立即删除！

相关文章

linux-安全技术

linux-安全技术

文章目录 安全机制墨菲定理信息安全防护的目标安全防护环节常见的安全攻击STRIDE 安全机制 墨菲定理 摘自百度百科 墨菲定律是一种心理学效应，1949年由美国的一名工程师爱德华墨菲（Edward A. Murphy）提出的，亦称墨菲法则、墨菲…
阅读更多...
Robot Framweork之UI自动化测试---Selenium2Library常用关键字

Robot Framweork之UI自动化测试---Selenium2Library常用关键字

在项目实际自动化测试过程中，主要用到了Selenium2Library库里的一些关键字和内置包BuiltIn的关键字，今天我们就来分享下Selenium2Library常用关键字。 我们把操作主要分为六大类： 一）浏览器操作 二）文本输入 三&…
阅读更多...
RealEvo-SylixOS-Installer简介

RealEvo-SylixOS-Installer简介

RealEvo-SylixOS-Installer简介 RealEvo-SylixOS-Installer 是 RealEvo-IDE 提供的一个安装工具，只需几个简单的配置，就可以将 SylixOS 系统安装到指定的U盘或者磁盘上，这极大地方便了 SylixOS 操作系统在 x86 平台的安装。 如下图所示&…
阅读更多...
Charlotte：完全不会被检测到的Shellcode启动器

Charlotte：完全不会被检测到的Shellcode启动器

关于Charlotte Charlotte是一款基于C实现的Shellcode启动器，并且完全不会被安全解决方案所检测到。 工具特性 截止至2021年5月13日之前，该工具的检测结果为0/26； 该工具支持动态调用Win32 API函数； 对Shellcode和函数名进行异…
阅读更多...
APP外包开发的iOS开发框架

APP外包开发的iOS开发框架

在开发APP时需要用到各种框架，这些框架提供了基础的软件功能，可以减轻开发工作量，因此在APP项目开发中熟练运用常见的框架是开发者需要掌握的技能。每个框架都有其特点和适用场景，开发者可以根据项目的需求选择合适的框架进行开发…
阅读更多...
HTTP协议 和 HTTPS协议的区别（4点） HTTPS的缺点 HTTP如何使用SSL/TLS协议加密过程 CA证书干啥的

HTTP协议 和 HTTPS协议的区别（4点） HTTPS的缺点 HTTP如何使用SSL/TLS协议加密过程 CA证书干啥的

（一）HTTP协议 和 HTTPS协议的区别（4点）： 1. HTTP协议的端口号是80， HTTPS协议的端口号是443 2. HTTP协议使用的URL是以 http:// 开头，HTTPS协议使用的URL是以https://开头 3. HTTP协议和HTTP…
阅读更多...
steam搬砖项目有哪些坑，新手零基础入门之前一定要知道的

steam搬砖项目有哪些坑，新手零基础入门之前一定要知道的

首先，先说大家最最关心的问题，就是这个Steam搬砖项目的利润。这个项目呢这并不是一个暴利项目，每次交易通常需要经历7天的饰品冷却期以及2到4天的交易时间。其次，为什么我们要分享这个赚钱项目呢？首先，这个…
阅读更多...
使用SSM框架实现个人博客管理平台以及实现Web自动化测试

使用SSM框架实现个人博客管理平台以及实现Web自动化测试

文章目录 前言1. 项目概述2. 项目需求2.1功能需求2.2 其他需求2.3 系统功能模块图 3. 开发环境4. 项目结构5. 部分功能介绍5.1 数据库密码密文存储5.2 统一数据格式返回5.3 登录拦截器 6. 项目展示7. 项目测试7.1 测试用例7.2 执行部分自动化测试用例 前言 在几个月前实现了一…
阅读更多...
汽配企业MES管理系统有哪些特点

汽配企业MES管理系统有哪些特点

汽配企业是汽车产业链上至关重要的一环，其生产过程涉及到众多的零部件和半成品，因此需要一套完善的管理系统来确保生产过程的顺利进行和产品的质量。MES管理系统解决方案是一种面向制造企业的管理系统，在汽配行业中得到了广泛的应用。本文将介…
阅读更多...
【论文精读】基于历史抽取信息的摘要抽取方法

【论文精读】基于历史抽取信息的摘要抽取方法

前言 论文分享 今天分享的是来自2018ACL的长文本抽取式摘要方法论文，作者来自哈尔滨工业大学和微软，引用数369 Neural Document Summarization by Jointly Learning to Score and Select Sentences 摘要抽取通常分为两个部分，句子打分和句子…
阅读更多...
04 编写自己的破解补丁

04 编写自己的破解补丁

本章摘要： 1、提高od当中汇编可读性 当我们遇到push offset Console.dasgasuigicashi这种阅读性不高的汇编代码的时候 在od当中，点击：选项》调试设置 逆向微软提供的内核dll也会出现阅读性不高的情况出现 跳转到这个地址 2、为什么写成全局…
阅读更多...
【暑期每日一练】 day11

【暑期每日一练】 day11

目录 选择题 （1） 解析： （2） 解析： （3） 解析： （4） 解析： （5） 解析： 编程题 题一 描…
阅读更多...
使用curl和postman调用Azure OpenAI Restful API

使用curl和postman调用Azure OpenAI Restful API

使用curl在cmd中调用时，注意：json大括号内的每一个双引号前需要加上\ curl https://xxxopenai.openai.azure.com/openai/deployments/Your_deployid/chat/completions?api-version2023-05-15 -H "Content-Type: application/json" -H "…
阅读更多...
C++ 对象的生存期详解

C++ 对象的生存期详解

1.局部对象 &#xff08;1&#xff09;对于局部定义的对象&#xff0c;每当程序控制流到达该对象定义处时&#xff0c;定义构造函数。当程序走出该局部域时&#xff0c;调用析构函数。 这种普通的局部对象具有动态生存期。 #include<iostream> using namespace std;cl…
阅读更多...
学习C#编写上位机的基础知识和入门步骤：

学习C#编写上位机的基础知识和入门步骤：

00001. 掌握C#编程语言基础和.NET框架的使用。 00002. 学习WinForm窗体应用程序开发技术&#xff0c;包括控件的使用和事件驱动编程。 00003. 熟悉基本的数据结构和算法知识&#xff0c;如链表、栈、队列等。 00004. 理解串口通信协议和通信方法&#xff0c;用于与底层硬件设…
阅读更多...
增强for循环原理详解

增强for循环原理详解

增强for循环 本质是采用了迭代器&#xff0c;并使用局部变量指向迭代器当前遍历到的元素&#xff0c;使用增强for循环时&#xff0c;无法修改集合当前索引位置的引用&#xff0c;但是如果元素是引用数据类型&#xff0c;那么是可以修改这个元素的信息的&#xff08;String除外…
阅读更多...
PSP - HHblits 算法搜索 BFD 与 UniRef30 的结果分析 (bfd_uniref_hits.a3m)

PSP - HHblits 算法搜索 BFD 与 UniRef30 的结果分析 (bfd_uniref_hits.a3m)

欢迎关注我的CSDN&#xff1a;https://spike.blog.csdn.net/ 本文地址&#xff1a;https://spike.blog.csdn.net/article/details/132047940 MMseqs2 与 HHblits 的算法比较&#xff1a; 蛋白质序列搜索算法 MMseqs2 与 HHblits 的搜索结果差异HHblits 算法搜索 BFD 与 UniRef…
阅读更多...
Vulnhub: Wayne Manor:1靶机

Vulnhub: Wayne Manor:1靶机

kali&#xff1a;192.168.111.111 靶机&#xff1a;192.168.111.172 信息收集 端口扫描 nmap -A -sC -v -sV -T5 -p- --scripthttp-enum 192.168.111.172 根据提示修改hosts文件 访问目标80&#xff0c;在主页发现三组数字&#xff0c;结合端口扫描的结果中21端口被过滤&am…
阅读更多...
Java 线程的多种状态

Java 线程的多种状态

前言 在前文中详细介绍了线程的启动、中断、休眠、等待。本文详细介绍线程的多种状态。 获取线程的当前状态代码是&#xff1a; 线程对象.getState(); 目录 前言 一、NEW 二、RUNNABLE 三、BLOCKED 四、WAITNG 五、TIMED_WAITNG 六、TERMINATED 结语 一、NEW Thread 对…
阅读更多...
Your local changes to the following files would be overwritten by checkout

Your local changes to the following files would be overwritten by checkout

Git 之 Your local changes to the following files would be overwritten by checkout 今天在切换分支时遇到了这样一个问题&#xff1a; 首先翻译下&#xff1a; Your local changes to the following files would be overwritten by checkout 大致意思就是&#xff1a; 当…
阅读更多...
推荐文章
最新文章

Copyright @ 2022~2023