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主要分为一下几个部分
电路原理与性能参数指标
设计过程
testbench电路与仿真结果
一.电路原理与性能参数指标
1.电路原理图
选取理由:
1).结构简单,第一级为NMOS作输入对的五管差分放大器,第二级为PMOS的共源级放大器。
2).选NMOS作输入对的理由:假如选用PMOS作输入对,上面的电流源压降设为0.2V,当输入为2.5V时,VSG为0.6V,近似PMOS的阈值电压,可能进入亚阈区或者截止区。
3).选PMOS的共源放大器,是为了能够保证共模匹配。
2.米勒补偿
无补偿的运算放大器稳定性很差!
在第一级和第二级之间加入米勒补偿电容后:
加入米勒补偿电容后,稳定性大大改善,但同时引入了一个右半平面的零点,影响稳定性。
设法消除右半平面的影响:
这种方法不增加功耗,同时电阻阻值也并不需要很精确,因为通过调节R0的阻值将零点移到无穷远、左半平面或者直接与极点相抵消都可以消除零点的影响。
3.搭建的电路图与symbol(方便后面的测试)
4.性能指标(工艺库为XA035)
温度范围 | -40~125℃ |
电源电压 | 3.3V±10% |
DC Gain | ≥80dB |
GBW | ≥25MHz |
load | cap=20pF |
输入电压范围 | 1.5~2.5V |
SR(压摆率) | ≥20V/uS |
输出电压范围 | 0.3~2.7V |
功耗 | <1mA |
二.设计过程
参数汇总结果:
米勒电容:5pF 调零电阻:840Ω
长/um | 宽/um | 个数 | |
M1,M2 | 1 | 3.75 | 16 |
M3,M4 | 1 | 4.70 | 20 |
M5 | 1 | 6.8 | 10 |
M6 | 1 | 10 | 100 |
M7 | 1 | 3.6 | 100 |
初步仿真发现四条电压过大,从新调整后的最终参数:
米勒电容:6pF 调零电阻:800Ω
长/um | 宽/um | 个数 | |
M1,M2 | 1.5 | 5.625 | 32 |
M3,M4 | 1 | 4.70 | 20 |
M5 | 1 | 6.8 | 12 |
M6 | 0.7 | 7 | 100 |
M7 | 1 | 3.6 | 100 |
三.testbench电路与仿真结果
1.相位裕度与增益带宽积(stb仿真,扫描1~1GHz)
左边是电源电压为3.3V时的PM和GBW,右边是3.0V时的PM和GBW。
电源电压 | 相位裕度(PM) | 增益带宽积(GBW) |
3.3V | 71.74° | 42.63MHz |
3.0V | 72.31° | 42.15MHz |
运放的频率特性图(VDD=3.3V),可以看出DC Gain=95dB
工艺角仿真:
由于加工工艺的偏差,MOSFETs等器件的工艺参数变化很大,为减轻设计困难便引入工艺角(Process Corner),以MOS器件为例,其思想是把NMOS和PMOS的速度波动范围限制在由4个角所确定的矩形内(分别为快-快,快-慢,慢-快,慢-慢,在加上typical-typical一共五个角),具体参见拉扎维。
电源电压为3.3V,仿真-40、25、125℃的工艺角,其中电容电阻各三个角,MOS五个角,一共135个角,PM和GBW都过指标
2.功耗:973uA<1mA
3.共模电压输入范围:1.5~2.5V稳定性都达标
4.失调电压:-2.598mV~2.41mV
电源电压为3.3V,仿真-40、125℃的蒙特卡洛仿真。每个温度500个点,共1000个
5.压摆率:SR=22.48>20V/uS
指大信号情况下运放的输入端接入较大的阶跃信号,输出信号波形也会发生大的变 化(会发生截至或者饱和)。输出电压变化对时间的比值叫做压摆率
6.电源抑制比:
定义为差模增益与差模输入为0时电源纹波到输出的增益比值。物理意义即衡量电源纹波转换到等效差模输入的大小。
7.共模抑制比:
定义为差模增益与差模输入为0时共模到输出的增益比值。物理意义即衡量共模输入转换到等效差模输入的大小。
结束!
目前刚上研一,还菜得很,多多学习多多交流。发个帖子来纪念一下自己的学习过程。