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两级运算放大器设计笔记

热度 35已有 14128 次阅读| 2021-3-8 17:44 |系统分类:芯片设计

两级运放设计笔记

主要分为一下几个部分

  1. 电路原理与性能参数指标

  2. 设计过程

  3. 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

image.png

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).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,VSG0.6V,近似PMOS的阈值电压,可能进入亚阈区或者截止区。

3).PMOS的共源放大器,是为了能够保证共模匹配。

2.米勒补偿

image.pngimage.png

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:

image.pngimage.png

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:

image.pngimage.png

       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)

image.png                    image.png

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

image.pngimage.pngimage.png

参数汇总结果:

米勒电容:5pF      调零电阻:840Ω

长/um宽/um个数
M1,M213.7516
M3,M414.7020
M516.810
M6110100
M713.6100

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,M21.55.62532
M3,M414.7020
M516.812
M60.77100
M713.6100

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)

image.png   image.png

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)
3.3V71.74°42.63MHz
3.0V72.31°42.15MHz

运放的频率特性图(VDD=3.3V),可以看出DC Gain=95dB

image.png

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。

image.png

电源电压为3.3V,仿真-4025125℃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

image.png

3.共模电压输入范围:1.5~2.5V稳定性都达标

image.png

4.失调电压:-2.598mV~2.41mV

    电源电压为3.3V,仿真-40125℃的蒙特卡洛仿真。每个温度500个点,共1000

image.png

image.png

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

image.pngimage.png

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

image.pngimage.png

image.png

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。

image.pngimage.png

image.png

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。

27

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刚表态过的朋友 (27 人)

发表评论 评论 (17 个评论)

回复 斩海之歌 2021-3-13 19:25
老哥 我也是研一 在哪里读书啊?
回复 LY钢铁侠 2021-3-14 18:53
斩海之歌: 老哥 我也是研一 在哪里读书啊?
就一普通院校
回复 斩海之歌 2021-3-14 19:59
LY钢铁侠: 就一普通院校
我也是 在模拟IC的海洋里面遨游
回复 LY钢铁侠 2021-3-14 20:21
斩海之歌: 我也是 在模拟IC的海洋里面遨游
冲冲冲
回复 jojenwong 2021-6-10 10:17
我想问一下啊有没有清楚一点的原理图,你的宽长比看不出来,然后 为啥你的vdd会出现在symbol图里, 是用的p的端口类型吗
回复 LY钢铁侠 2021-6-13 10:02
jojenwong: 我想问一下啊有没有清楚一点的原理图,你的宽长比看不出来,然后 为啥你的vdd会出现在symbol图里, 是用的p的端口类型吗 ...
宽长比单独列表了呀。没明白你的第二个问题
回复 jojenwong 2021-6-13 10:21
LY钢铁侠: 宽长比单独列表了呀。没明白你的第二个问题
没没事,已经解决了 ,想问一下压摆率如何仿真,大佬
回复 mao_9270 2021-8-25 16:10
能不能加个好友,我也是学习模拟IC的新手,但是会的不多,周边没有人可以讨论
回复 LY钢铁侠 2021-8-26 19:52
mao_9270: 能不能加个好友,我也是学习模拟IC的新手,但是会的不多,周边没有人可以讨论
可以啊,之间加这里就好
回复 xgdky2010 2021-11-17 11:34
不错
回复 ICfeiwu 2021-11-17 21:03
请问你知不知道有什么改善电源抑制比的方法?
回复 LY钢铁侠 2021-11-18 09:54
ICfeiwu: 请问你知不知道有什么改善电源抑制比的方法?
方法有挺多的,简单点的就是采用共源共栅电流镜(电源电压足够的情况下)
回复 ICfeiwu 2021-11-18 10:00
LY钢铁侠: 方法有挺多的,简单点的就是采用共源共栅电流镜(电源电压足够的情况下)
这个我倒是知道,我其实考虑的是采用共源共栅结构后 再提高psr 需要如何去调整
回复 ICfeiwu 2021-11-18 10:01
LY钢铁侠: 方法有挺多的,简单点的就是采用共源共栅电流镜(电源电压足够的情况下)
这个我倒是知道,我其实考虑的是采用共源共栅结构后 再提高psr 需要如何去调整
回复 LY钢铁侠 2021-11-18 10:25
ICfeiwu: 这个我倒是知道,我其实考虑的是采用共源共栅结构后 再提高psr 需要如何去调整
那这就需要具体电路来分析了。但总的思考方向也就是两个,一是降低输出对电源电压纹波的敏感,二是直接降低电源电压纹波的产生。
回复 Sakura314 2022-10-15 09:46
零极点仿真和手算的差不多嘛?我我仿真的多出来了好几个零极点对,而且也没有极点分裂现象,两个极点都是向左移动,但是相位裕度有73度,很疑惑
回复 健行渐远 2023-8-18 11:44
共模输入电压如何仿真

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