集成電路設(shè)計與仿真項目教程Agenda項目1集成電路設(shè)計認知項目2MOS晶體管認知項目3CMOS反相器設(shè)計與仿真項目4靜態(tài)組合邏輯門設(shè)計與仿真項目5時序邏輯門設(shè)計與仿真項目6動態(tài)邏輯門設(shè)計與仿真項目7電流鏡設(shè)計與仿真項目8單管放大器設(shè)計與仿真項目9運算放大器設(shè)計與仿真項目10電壓基準源設(shè)計與仿真2025/7/21011.1差分輸入電壓1.2共模輸入輸出電壓1.3差分放大電路交流分析差分放大電路3.1運算放大器開環(huán)頻率響應(yīng)3.2運算放大器共模輸入范圍3.3運算放大器壓擺率3.4運算放大器建立時間3.5運算放大器輸出擺幅

3.6運算放大器失調(diào)電壓

3.7運算放大器共模抑制比3.8運算放大器電源抑制比3.9運算放大器直流增益3.10運算放大器靜態(tài)功耗03運算放大器參數(shù)分析022.1兩級運算放大電路結(jié)構(gòu)2.2兩級運算放大電路頻率響應(yīng)基本兩級運算放大器設(shè)計2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真1.1差分輸入電壓01差分放大電路2025/7/21如圖所示為電流鏡負載差分放大電路。NMOS晶體管MN1、MN2構(gòu)成差分輸入對（源極耦合對）；共源共柵結(jié)構(gòu)的NMOS晶體管MN3、MN4組成尾電流源；PMOS晶體管MP1、MP2構(gòu)成電流鏡負載；輸出端從晶體管MN2的漏極輸出。差分放大電路項目9運算放大器設(shè)計與仿真差分放大電路1.1差分輸入電壓01差分放大電路2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真1.1差分輸入電壓01差分放大電路2025/7/21為了保證差分放大器正常工作，它有一個輸入直流偏置電壓，稱為共模輸入電壓（VCM）。最大和最小差分輸入電壓（交流）都是相對于共模輸入電壓VCM而言的。最大差分輸入電壓為正值，表示比參考共模輸入電壓VCM大；最小差分輸入電壓為負值，表示比參考共模輸入電壓VCM小。差分放大電路項目9運算放大器設(shè)計與仿真1.2共模輸入輸出電壓01差分放大電路2025/7/21（1）最大和最小共模輸入電壓為了保證差分放大器正常工作，它有一個最大、最小直流輸入偏置電壓范圍，稱為共模輸入電壓VCM范圍。差分放大器的兩個輸入端，任何一個的輸入電壓超過此范圍，都將引起差分放大器不能正常工作。這個共模電壓把所有的MOS晶體管偏置在飽和狀態(tài)，它是設(shè)定差分放大器直流靜態(tài)工作點的關(guān)鍵參數(shù)。如圖所示為兩輸入端連接在一起的差分放大器。晶體管MN1和MN2工作在飽和區(qū)的最大和最小工作電壓稱為最大輸入共模電壓VCMMAX和最小輸入共模電壓VCMMIN。當共模電壓VCM太大時，晶體管MN1、MN2都處于線性區(qū)。當共模電壓太小時，晶體管MN1、MN2均截止斷。只有，當共模電壓適中時，晶體管MN1、MN2都處于飽和區(qū)，差分放大器正常工作。差分放大器輸入端相連項目9運算放大器設(shè)計與仿真1.2共模輸入輸出電壓01差分放大電路2025/7/21差分放大器輸入端相連項目9運算放大器設(shè)計與仿真（1）最大和最小共模輸入電壓1.2共模輸入輸出電壓01差分放大電路2025/7/21差分放大器輸入端相連項目9運算放大器設(shè)計與仿真1.3差分放大電路交流分析01差分放大電路2025/7/21交流分析簡化圖項目9運算放大器設(shè)計與仿真放大器交流分析時，用開路替代共源共柵尾電流源，用短路（接地）替代直流電源（VDD）。如上圖所示為差分放大器交流分析簡化圖。交流電流示意圖其中：負的交流電流僅僅意味著相對直流（總電流=直流+交流）在減小。那么上圖中NMOS晶體管NM1、MN2的漏極交流電流為，MN1的漏極電流為正。如下圖所示為交流電流示意圖。1.3差分放大電路交流分析01差分放大電路2025/7/21交流分析簡化圖項目9運算放大器設(shè)計與仿真交流電流示意圖1.3差分放大電路交流分析01差分放大電路2025/7/21交流分析簡化圖項目9運算放大器設(shè)計與仿真交流電流示意圖隨著晶體管MN1柵極輸入電壓的增加，MN1中的電流id1增加，這會引起輸出電壓增加（相對于輸出節(jié)點vout，id1為正）；當晶體管MN2柵極輸入電壓增加，MN2中的電流id2增加，引起輸出電壓下降（相對于輸出節(jié)點vout，id2為負）。因此，MN1的柵極輸入電壓稱為同相輸入（輸出隨輸入的增大而增大），而MN2的柵極輸入稱為反相輸入。兩級運算放大器電路如圖。當差分放大電路的輸入電壓相同時，PMOS晶體管MP1與MP2的電流相等（ISS/2）。可知，MP2的漏極與MP1柵極具有相同的電壓，即：VSG(P1)=VSD(P2)。那么用這個電壓去作為PMOS晶體管MP3的偏置柵壓，它與MP1柵極具有相同的電壓。2.1兩級運算放大電路結(jié)構(gòu)02基本兩級運算放大器設(shè)計2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真兩級運算放大器圖中的基本二級運算放大電路，由第一級差分放大電路（差分輸入對管MN1和MN2，共源共柵尾電流源MN3和MN4，電流鏡負載MP1和MP2）和第二級PMOS晶體管MP3共源放大電路（MP3是共源放大管，MN5和MN6組成共源共柵電流源負載）構(gòu)成二級放大電路。為了保證運算放大器的穩(wěn)定性，不會產(chǎn)生自激振蕩，在電路中增加密勒補償電容Cc和消除零點電阻Rz，構(gòu)成頻率補償網(wǎng)絡(luò)。密勒補償電容Cc與消除零點電阻Rz串聯(lián)后，跨接在輸出與第二級放大管MP3柵極之間。由于這個運算放大器沒有輸出緩沖器（它的輸出電流比較?。?，因此在驅(qū)動容性負載及重載時受到了一定限制。2.1兩級運算放大電路結(jié)構(gòu)02基本兩級運算放大器設(shè)計2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真兩級運算放大器兩級運算放大器頻率響應(yīng)如圖所示，圖上為幅頻特性；圖下為相頻特性。圖中給出了頻率補償前與頻率補償后的幅頻曲線與對應(yīng)相頻曲線。幅頻特性圖中p1’頻率補償前為放大器第一個極點；p2’頻率補償前為放大器第二個極點。沒有頻率補償時相位裕度大約為0度（虛線所示），這時放大器是不穩(wěn)定的，需要進行頻率補償。補償后的第一個極點為p1；第二個極點為p2。已經(jīng)頻率補償?shù)南辔辉６却蠹s為45度，達到了放大器穩(wěn)定工作的下限。2.2兩級運算放大電路頻率響應(yīng)02基本兩級運算放大器設(shè)計2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真頻率補償2.2兩級運算放大電路頻率響應(yīng)02基本兩級運算放大器設(shè)計2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真頻率補償3.1運算放大器開環(huán)頻率響應(yīng)03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真開環(huán)頻率響應(yīng)仿真電路圖為了對運算放大器的開環(huán)頻率響應(yīng)進行仿真，可先把運算放大器封裝成一個符號圖（Symbol），仿真配置如圖所示。反饋大電阻和大電容形成的時間常數(shù)比較大，因此輸出電壓當中的交流成分都不會反饋回反相輸入端；但是，設(shè)定直流靜態(tài)工作點偏置電壓會被反饋，因此運算放大器能正常工作，即：所有MOS管都工作在飽和區(qū)。運算放大器開環(huán)頻率響應(yīng)仿真圖3.2運算放大器共模輸入范圍03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器共模輸入電壓仿真電路圖根據(jù)前面差分放大電路給出的最大和最小共模輸入電壓，可知理論上最小共模輸入電壓0.78V，給出的最大共模輸入電壓1.62V。這就意味著要使此運算放大器正常工作，共模輸入電壓應(yīng)該落在0.78V~1.62V的范圍內(nèi)。如果超出此范圍，運算放大器的增益會降低，有可能采用此運算放大器的電路就無法正常工作。運算放大器共模輸入電壓仿真圖3.3運算放大器壓擺率03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器壓擺率仿真電路圖轉(zhuǎn)換速率（壓擺率，SR）是測量輸出信號的最大斜率變化的量。其定義為放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸出為大信號（例如階躍信號）時，放大器輸出電壓對時間的最大變化率。運算放大器壓擺率仿真圖3.4運算放大器建立時間03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器建立時間仿真電路圖運算放大器建立時間是用來描述電路輸出信號的穩(wěn)定狀況，輸入小信號經(jīng)過電路正常工作后，輸出信號經(jīng)過一定時間內(nèi)的起伏最后趨近穩(wěn)定。對于階躍響應(yīng)小信號，建立時間包括建立時間和保持時間。運算放大器建立時間仿真圖3.5運算放大器輸出擺幅03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器輸出擺幅仿真電路圖對于運算放大器而言，最大輸出擺幅受到進入線性區(qū)工作的MOS晶體管限制。如果必須要將PMOS晶體管的壓降至少保持為0.18V，那么最大輸出電壓理論值就是1.62V；NMOS晶體管飽和工作的最小壓降也為0.18V，那么最小輸出電壓理論值就是0.36V。但是，由于運算放大器增益很大，MOS晶體管工作在線性區(qū)仍然可以正常工作，因此運算放大器的輸出擺幅很寬。運算放大器輸出擺幅仿真圖3.6運算放大器失調(diào)電壓03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器失調(diào)電壓仿真電路圖失調(diào)電壓，又稱輸入失調(diào)電壓（OffsetVoltage），由于運算放大器內(nèi)部電路的不匹配造成。指在差分放大器或差分輸入的運算放大器中，為了在輸出端獲得恒定的零電壓輸出，而需在兩個輸入端所加的直流電壓之差；如果在差分放大器的兩個輸入端加有相等的輸入電壓時，輸出電壓差值稱為輸出失調(diào)電壓。失調(diào)電壓計算公式為式：運算放大器失調(diào)電壓仿真圖3.7運算放大器共模抑制比03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器共模抑制比仿真電路圖為了說明運算放大器抑制共模信號及放大差模信號的能力，常用共模抑制比（CommonModeRejectionRatio，CMRR）這個技術(shù)指標來衡量。其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)與對共模信號的電壓放大倍數(shù)之比，稱為共模抑制比，單位是分貝dB。共模抑制比計算公式為式：運算放大器共模抑制比仿真圖3.8運算放大器電源抑制比03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器電源抑制比仿真電路圖運算放大器電源線上的噪聲也會對輸出信號造成影響，因此必須適當?shù)亍耙种啤痹肼暋６娫匆种票龋≒owerSupplyRejectionRatio，PSRR）就是測量運算放大器抑制這種偏差程度的參數(shù)。一般定義它為：從輸入到輸出的增益除以從電源到輸出的增益，單位是分貝dB。運算放大器電源抑制比仿真圖電源抑制比計算公式為式：3.9運算放大器直流增益03運算放大器參數(shù)分析2025/7/21項目9運算放大器設(shè)計與仿真運算放大器直流增益仿真電路圖直流增益（開環(huán)電壓增益）定義：運算放大器開環(huán)工作時，輸出電壓變化與差模輸入電壓變化之比。