低壓集成運放的設計與仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16591低壓集成運放的設計與仿真分析案例 1286011.1低壓集成運放的設計思路 1133861.2低壓運放電路結構設計 2290161.3運放仿真結果 5240301.3.1直流傳輸特性 785571.3.2輸入共模電壓范圍 878811.3.3輸出電壓擺幅 9256721.3.4運放的增益與相位裕度 9230421.3.5密勒補償后的增益與相位裕度 10269761.4運放的版圖設計 12低壓集成運放的設計要求：重點選擇軌對軌結構進行電路設計，用Cadence軟件進行原理圖的設計，并完成仿真，要求的電源電壓不高于1.8V，增益不低于80dB。1.1低壓集成運放的設計思路將運放分為五個基本部分來設計：輸入級、增益級、輸出級、偏置與補償電路。圖4-1運放的基本組成輸入級：采用軌對軌輸入結構。由于要求的電源電壓很小，就需要盡量擴大共模輸入范圍，那么就可以將PMOS差分對與NMOS差分對并聯。這時，由于NMOS差分對正向的共模輸入范圍可以達到正電源，PMOS差分對負向共模輸入范圍可以達到負電源。這樣得到的共模輸入范圍就可以達到最大值。增益級：采用折疊式共源共柵電路，盡可能增大電路增益。輸出級：采用了基本的推挽結構，保證高效率。偏置電路：采用電流源和電流鏡結構來提供電路所需的恒定電流。補償電路：采用密勒補償技術，來保證電路穩(wěn)定。1.2低壓運放電路結構設計低壓運放電路結構如圖4-2：圖4-2運放結構圖圖4-2中各個MOS管的參數如下表：名稱M1M2M3M4M7M8M33M34M35M36M32M10M20M18類型PPNNPPPPNNPPPNL88228888888888W484884844040727256565640302M202010101111111111名稱M13M14M9M6M12M5M11M16M19M17M28M21M22M27類型NNPNPNPNPNNPNNL88888888888888W40404032120405640302244402M11111141111651表中L和W單位為μm。該放大器采用上下兩個電源來供電，電源電壓分別為±0.9V,滿足電壓小于1.8V的要求。采用五個MOS管M36、M35、M34、M33、M32來為電路提供直流偏置，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。運放輸入級由兩部分組成[24]：PMOS差分對（M1、M2），以及其電流源M11；NMOS差分對（M3、M4）[25]，以及其電流沉M6?？梢钥闯鲞@兩個差分對結構互相平行，電流經過該結構的輸出通過電流鏡M7、M8、M9、M10的作用匯合起來，流到下一級。該結構滿足軌對軌結構，當輸入為共模信號，并且向負電源變化時，PMOS差分對開啟；向正電源方向變化時，NMOS差分對開啟；在正負電源中間附近的過渡區(qū)時，兩個差分對彼此協調、同時工作。CMOS電路中的輸入跨導并不恒定，將其分為三個區(qū)間來考慮：共模輸入電壓向正電源變化時：（1.1）共模輸入電壓在過渡區(qū)時：（1.2）共模輸入電壓向負電源變化時：（1.3）在之前對軌對軌結構的討論中已經得出，為了跨導恒定，要按照1:3關系設計電流鏡。然而在實際設計中，由于過渡區(qū)極窄，并且一個差分對完全導通，另一差分對弱導通，則此時的跨導只是略大于其它時刻，跨導差別不會太大。所以，M7、M8、M9、M10電流鏡可以按照1:1設計。M5、M16、M17、M18、M19、M20、M27、M28、M21、M22共同組成了一個跨阻放大器，它的功能是將電流信號轉化為電壓信號并放大[26]。該結構中，M5、M16的作用是輸入級的偏置電流，而M20、M19、M18、M17、M28、M27是一種折疊式共源共柵，M22、M21則是一種共源組態(tài)放大電路。可以看出，圖1.2是一種電流折疊電路技術[27]，在結構上，將一對PMOS差分管漏極直接與共源共柵器件源極相連，這種結構就會對共模輸入電壓有一定的增加，電源電壓有一定的降低，并且沒有破壞電路共源共柵特性[28]。輸入級的偏置電流（M5、M16吸收的電流）就等于從差分對（M3、M4或M1、M2）流入的電流與從共源共柵結構（M17、M18、M19、M20、M27、M28）流入的電流之和。平衡時，M19的電流等于M17與M28的電流和，而當不平衡時，M17與M18的電流一個增加△I一個減小△I。通過分析，該運放的優(yōu)點如下：輸入采用軌對軌結構，共模輸入范圍大。電源電壓小，可在1.8V低壓下工作。采用共源共柵結構，增益較大。1.3運放仿真結果Cadence軟件環(huán)境下搭建的電路：圖4-3Cadence軟件環(huán)境下電路原理圖1.3.1直流傳輸特性將運放按圖4-4所示結構連接，來測量其直流特性。圖4-4直流傳輸特性測試圖運放電源接±0.9V,在同相端輸入直流掃描電壓，得到如圖4-5所示的直流傳輸特性曲線。圖4-5運放的直流傳輸特性曲線由圖4-5可以看出，輸入掃描電壓為-0.9V～+0.9V時，輸出擺幅范圍也約為-0.9V～+0.9V，基本可以達到軌對軌輸出。1.3.2輸入共模電壓范圍將運放按單位增益結構連接，來進行測量。如圖4-6：圖4-6單位增益結構設置一個直流掃描電壓，加在同相輸入端上（-0.9V～+0.9V），如圖4-7就是最終得到的仿真結果：圖4-7輸入共模電壓擺幅傳輸曲線斜率為1的部分就是輸入共模范圍，為-0.9V～+0.9V。1.3.3輸出電壓擺幅采用如圖4-8所示的電路結構來測量其輸出電壓范圍。圖4-8輸出電壓擺幅測試圖該結構負載用1kΩ電阻，輸入端加直流掃描電壓[29]，仿真結果如圖4-9：圖4-9運放的輸出電壓范圍由圖4-5看出，輸出電壓范圍約為-0.9V～+0.9V，運放具有軌對軌特性。1.3.4運放的增益與相位裕度用低頻小信號測試運放的開環(huán)電壓增益與相位裕度[30]，設置0.4的共模輸入電壓，做交流小信號分析。輸出端接負載：100pF的電容、1kΩ的電阻。仿真結果如圖4-10：圖4-10運放的增益與相位裕度如圖4-10所示，運放的增益已經可以達到80dB了，但是頻率特性還很不理想，在頻率不到1kHz時就開始衰減，并且相位裕度還出現了負值。為了解決該問題，在電路中加入補償電容，來改善其相位裕度[31]。1.3.5密勒補償后的增益與相位裕度為了改善運放的相位裕度，在增益級與輸出級間加一個容值為7pF密勒補償電容[32]。補償電容位置如圖4-11所示：圖4-11密勒補償電容位置對補償后的電容進行同樣的仿真，結果如圖4-12所示：圖4-12運放的增益與相位裕度（補償后）如圖4-12所示，經過補償后，運放的相位裕度有了很大的改善。由以上仿真結果可以總結出，運放的擺幅特性非常理想，輸出在-0.9V到+0.9V間的跳變十分明顯。同時運放的共模輸入與共模輸出符合軌對軌特性；運放的增益已經可以達到80dB,為了改善其相位裕度，在電路中加入了彌勒補償電容，補償后的相位裕度可以達到45度。1.4運放的版圖設計運放的整體版圖如圖4-13所示：圖