密勒补偿运算放大器的设计与优化--毕业论文

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密勒补偿运算放大器的设计与优化

摘 要

电子工业在如今飞速的发展，集成电路在各行各业中起到了越来越重要的作用，从而促使需求量越来越高。高速、高精度、多功能、低功耗等等的指标已经逐渐走进人们的视野。本次设计主要阐述了放大器的基本组成，简单电阻负载放大器和共源放大器以及二级密勒补偿运算放大器的设计。设计中我们采用Cadence软件在虚拟机中运行来实现电路的仿真。关注运算放大器的各项指标：开环直流增益，单位增益带宽，相位裕度，转换速率，负载电容，静态功耗，共模抑制比等等。根据提供的指标参数进行设计，最终通过改变晶体管参数和元器件参数进行分析，进而可以达到优化电路的目的。

关键词 运算放大器；电路设计；Cadence仿真；性能指标

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The design and optimization of Miller compensation

operational amplifier

Abstract

With the rapid development of the electronics industry nowadays, IC has played an increasingly important role in all walks of life, contributing to the demand for it becoming higher and higher. This design mainly elaborated the basic components of the amplifier, a simple resistive load amplifier and a common-source amplifier, and the design of a secondary Miller compensation arithmetic amplifiers. In the design, we use Cadence software running in a virtual machine to achieve the emulation of a circuit. Concern about the indicators of the operational amplifier: DC gain, GBW, PM, SR,CL, Static power consumption, CMRR and so on. Design the circuit according to indicators and parameters provided, eventually analyzed by changing transistor parameters and component parameters and then you can achieve the purpose of optimizing the circuit.

Keywords Operational Amplifiers; Circuit Design; Emulation of Cadence ; Performance indicators

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目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1 1.1 引言 ............................................................................................................................. 1 1.2 设计思路、运放介绍和软件运用 ............................................................................. 1 1.2.1 运算放大器的基本设计思路 .............................................................................. 1 1.2.2 关于模拟集成运算放大器 .................................................................................. 2 1.2.3 仿真软件的介绍 .................................................................................................. 3 1.2.4 运算放大器的性能指标 ...................................................................................... 3 1.3 章节内容概述 ............................................................................................................. 4 第2章 简单的电阻负载共源放大器 ...................................... 5 2.1 电路原理分析 ............................................................................................................. 5 2.2 电路仿真过程与原理 ................................................................................................. 6 2.3 SMIC 0.18UM3.3V厚氧化栅工艺PMOS管电阻负载共源放大器影响因素仿真与分析 ................................................................................................................................. 13 2.3.1 设定电阻RD=165kΩ，L=10u不变，改变W ................................................. 13 2.3.2 设定Rds=165kΩ不变，W=5u不变，改变L .................................................. 13 2.3.3 设定W/L=40u/10u=4不变，RD=165kΩ不变，改变Vgs ............................. 14 2.3.4 设定W/L=40u/10u=4不变，改变RD的大小 .................................................. 15 2.3.5 设定RD=165kΩ不变，W/L=4不变，改变W，L的值 ................................. 15 第3章 简单共源放大器的设计 ......................................... 17 3.1 单级共源放大器的设计 ........................................................................................... 17

3.1.1 设计原理图与指标 ............................................................................................ 17 3.1.2 参数的估计 ........................................................................................................ 17 3.1.3 仿真验证 ............................................................................................................ 18 3.2 共源共栅电路 ........................................................................................................... 24 3.2.1 设计原理图与指标 ............................................................................................ 24 3.2.2 参数估计 ............................................................................................................ 25 3.3 参数比对分析 ........................................................................................................... 31 第4章 二级密勒补偿运算放大器的设计和分析 ........................... 32 4.1 电路原理和参数估计 ............................................................................................... 32 4.1.1 电路原理分析 .................................................................................................... 32 4.1.2 设计指标 ............................................................................................................ 33 4.2 电路设计与参数估算 ............................................................................................... 33 4.2.1 分配各级的增益 ................................................................................................ 33 4.2.2 确定密勒电容Cc的大小 .................................................................................. 33 4.2.3 确定各级工作电流 ............................................................................................ 34 4.2.4 确定第一级输出摆幅和静态工作点 ................................................................ 34 4.2.5 估算第一级宽长比 ............................................................................................ 35

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4.2.6 第二级宽长比的估算 ........................................................................................ 36 4.3 仿真验证和结果分析 ............................................................................................... 36 4.3.1 静态工作点仿真 ................................................................................................ 36 4.3.2 共模输入范围仿真的过程和结果 .................................................................... 40 4.3.3 开环增益，相位裕度，单位增益带宽的仿真 ................................................ 41 4.3.4 共模电压与差模增益的关系 ............................................................................ 42 4.3.5 共模抑制比的仿真过程与结果 ........................................................................ 44 4.3.6 共模输入和共模抑制比的关系 ........................................................................ 47 4.3.7 瞬态分析 ............................................................................................................ 48 4.3.8 电路静态总功耗 ................................................................................................ 52 4.4 密勒电容对零点极点的影响以及运算放大器性能参数和稳定性的影响 ........... 52 4.5 运算放大器设计指标与仿真结果 ........................................................................... 55 总 结 ............................................................... 56 致 谢 ............................................................... 57 参 考 文 献 .......................................................... 58 附录A 基于SMIC 0.18um 3.3V厚氧化珊工艺MOS管的沟道长度调制系数λ和参数K的参数提取表 ....................................................... 59 附录B 译文 .......................................................... 61 附录C 外文原文 ...................................................... 82

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第1章 绪论

1.1 引言

集成电路的发展改变了人们的日常生活，它可以说是人类文明史上的新变革。电子产品的越来越多，应用的范围也越来越广，其内部的半导体集成电路的制作要求也就越来越高。进而集成电路中的电路设计就变得越来越重要，同时也会面临着压力，这便是我们正在面临的问题。

目前看来，一般模拟电路设计依然需要手工设计。因此研究模拟电路设计过程，提高设计成功机会和效率是非常必要的。虽然在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面计算机辅助设计方法应用得很成功了，但对于模拟电路来说并不适用。

模拟电路的设计一般分为三个步骤：第一，进行原理图的设计，选择设计所选用的晶体管和各个电路器件，绘制出原理图；第二，参数的估算，根据所要求给定的参数，总体上估算出电路中元器件的参数数值；第三，仿真验证，验证实际数值是否与估算值有相差，如果有相差，我们需要进一步分析导致误差的原因，通过微调电路或者元器件的参数最终得到满足设计条件的电路图。

本次设计是根据cmos运算放大器的基本原理设计指标和工艺要求完成的基本运算放大器的研究分析，以求从点及面的更好的去理解运算放大器的构成和影响因素，并且能够在仿真中经过验证得到所想要得到的运算放大器。

1.2 设计思路、运放介绍和软件运用

简单的介绍一下运放的研究背景和种类以及完成本次设计的设计思路和仿真软件Cadence的使用。

1.2.1 运算放大器的基本设计思路

一个完整的运算放大器的设计流程可以分为：（1）确定设计目标；（2）设计电路并运用仿真软件进行仿真；（3）进行版图的设计；（4）根据版图制作出来芯片的测试。（由于时间的限制，本次设计只考虑前两部分的详细研究）流程图如图1.1所示。

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确定工艺及电路功能第一步 确定设计目标及电路参数的估计第二步 运用仿真软件进行仿真验证第四步 版图制成芯片并对芯片进行检测第三步 对设计号的电路进行版图设计检测合格完成设计成品封装芯片

图1.1 集成运放的基本设计思路

要完成一个运放电路的设计，就是首先确定电路的主要性能指标。在本次设计中，我们主要是完成一个基本的密勒补偿运算放大器的设计。所以我们可以基于合理的电路结构来确定电路中的晶体管的尺寸大小和电容值的大小，借此来达到设计的目的，可以使整个电路出于合理的工作状态。给定的设计性能指标一般如下：（1）直流电压增益Av；（2）单位增益带宽GBW；（3）压摆率SR；（4）所要驱动的负载电容CL；（5）需要达到的相位裕度PM；（6）输入共模电压范围ICMR；（7）输出电压范围；（8）输出电压摆幅；（9）整个电路所允许的功耗。

二级密勒补偿运算放大器主要是由差分放大器和共源放大器组成，而共源放大器的原理即等于是一个电阻负载的运算放大器。因此在设计之前我们首先讨论电阻负载的放大器的参数改变对放大器本身指标的影响，接着在进行对共源放大器的讨论分析，有了前面这些测试数据的经验，之后我们在最终的设计二级密勒补偿云运算放大器才能更好地对其进行优化。 1.2.2 关于模拟集成运算放大器

运算放大器从诞生到现在有40多年的历史，由最早采用的硅工艺（NPN工艺）发展到标准硅工艺（NPN-PNP工艺），由于结型场效应管技术的成熟最后又加

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入了结型场效应管工艺。加上半导体集成电路运用的越来越广泛，我们对其内部的电路设计要求也就变得越来越高。作为内部电路系统中的一个重要基本单元的运算放大器的设计如今也显得尤为的重要。

根据制造工艺， 目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS工艺的运算放大器。本次设计中我们主要讨论的是在标准硅工艺中加入MOS工艺的运算放大器中的全MOS场效应管工艺的模拟运算放大器，该放大器的主要特点是由于电源电压的降低，功耗大大的降低。

而按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。但是随着技术的进步，运放的分类的门槛一直在不断的变化。 1.2.3 仿真软件的介绍

因为如今设计的模拟集成电路都是深亚微米级别的，必须采用先进的EDA软件工具在计算机上进行设计。因为基于SPICE的仿真工具Cadence公司的 Spectre 容易上手，并且仿真结果快速准确。所以本次设计我们使用的仿真软件为Cadence。Candence仿真软件有以下几个优点:高品质，更高的设计质量，更好的设计精度，最少的转换，并且能够完成整个IC设计流程的各个方面。由于采用 Cadence 设计仿真电路用的是更高级精准的模型，本次设计我们采用SMIC的0.18um工艺和3.3V的电源电压。

1.2.4 运算放大器的性能指标

1.输入共模电压范围（ICMR）：指使CMOS差分放大器中的各MOS管均工作在饱和区的共模输入电压的最大值和最小值。

2输出摆幅（output swing）：运放维持高开环增益时输出电压的范围。

3.低频增益（DC gain）：也称开环增益，是指未加反馈网络或反馈系数为零时，放大器对输入信号的放大倍数。

4.共模抑制比（ CMRR）：衡量放大器对共模输入信号抑制能力的一个参数。 5.带宽：放大器的增益降低到直流值的-3dB时所对应的频率。

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6.单位增益带宽（GBW）：增益为1（0dB）时对应的频率。 7.相位裕度：避免放大器闭环应用时发生振荡。

8.转换速率（摆率SR）：大信号输入时，输出电压的变化对时间的比值，由对电容充放电的最大电流决定。

9.建立时间（settling time）：当运放受到一阶跃大信号激励时，输出电压达到平稳值所需要的时间。

1.3 章节内容概述

第二章主要阐述了运放的基本构成单元电阻负载放大器的设计和电路参数的变化对电路性能所造成的影响，从而为之后设计更为复杂的电路进行铺垫。

第三章主要是使我们对单级放大器的设计形成一个认识，熟悉运算放大器的设计过程以及怎样使设计达到我们所需要的指标。学会使用改变电路参数的方法来达成设计目的。

第四章为本次设计的重点，在此我们详细介绍了二级密勒补偿运算放大器的设计的整个流程，并且考虑了影响电路指标的重要因素，并从中分析优化电路。

电阻负载放大器共源放大器二级密勒放大器

图1.2 设计思路

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第2章 简单的电阻负载共源放大器

2.1 电路原理分析

在这里我们讨论的是基于SMIC 0.18um3.3V厚氧化栅工艺PMOS管电阻负载共源放大器的分析与设计。电阻负载的共源放大器的结构如图2.1所示。其将栅极电压小信号变化转换成漏极电流小信号，通过负载电阻转换为输出电压。

VinVoutVinVout

图2.1 NMOS和PMOS的电阻负载共源放大器的基本原理图

当Vin?Vth ，晶体管M截止，电流极小，

Vout?VDD(NMOS)Vout?VSS(PMOS)

（2.1）

当Vin接近Vth，晶体管开始导通，Vout?VDD?IDRD（NMOS），Vout开始变小；对于PMOS管，Vout?VSS?IDRD，Vout开始变大，晶体管处于饱和区。

1WVout?VDD??nCox(Vin?VTHN)2RD

2L (NMOS） (2.2)

（PMOS) (2.3)

1WVout?Vss??pCox(Vin?VTHP)2RD

2L进一步增大Vin，直到Vin?Vout?VTH，晶体管加入线性区，

Vout?VDD?RD1W?nCox[2(Vin?VTH)Vout?Vout2] 2L5

(2.4)

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通常要保证Vout?Vin?VTH，我们可以得到小信号增益如下公式：

Av??VoutW??(RD//RDS)KnVon??gm(RD//RDS) ?VinL(2.5)

gm?2Kn2IWWVon?2KnIDS?DS LLVonRDS?Ro?VEL IDS(2.6)

(2.7)

如图2.2是交流小信号等效电路：

图2. 2 NMOS电阻负载共源放大器交流小信号等效电路

据电路原理，为了实现高增益，可以提高负载电阻，增大晶体管的输出电阻，提高晶体管的跨导等办法。其中增加负载电阻，会占用很大面积，一般不采用。但是电阻负载放大器的寄生电容和噪声电压都比较小，适合低增益高频放大器。下面对电阻负载共源放大器的影响因素进行分析和讨论。

2.2 电路仿真过程与原理

在软件中绘制出电阻负载的单管共源放大器，如下图2.3所示：电源为3.3V，PMOS采用SMIC0.18工艺3.3V晶体管，栅极接电压源偏置1V。

图2.3 PMOS电阻负载单管共源放大器电路图

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取与电源Vdd相连的电压源V0的电压为3.3V，假设共源放大器的静态工作电流大小ID是10uA，静态工作电压为0.5Vdd，从而固定电阻RD?即图中的电阻R0。设置参数的方法如下图2.4所示。

0.5Vdd?165K?，Id

图2.4 电阻负载单管共源放大器中电阻值的设置

然后在输入电压端做DC扫描，首先我们将PMOS的W/L的尺寸设置为1.8um，即取W=1.8um，L=10um。下面我们开始对输入电压做DC扫描，分析的内容就是将输入电压的范围从0V逐渐变化到3.3V（Vdd），输出电压的变化从0变化到

Vout?VSS?IDRD。当Vgs不断变小，MOS开启越大，Id越大，输出电压降低。最终扫描的结果如图2.5。

图2.5 DC扫描输出端的电压变化

由于选择的尺寸较小，本次扫描结果显示的不够理想（但不影响接下来的实验结果）。用软件中的十字坐标来确定某个输出电压所对应的输入电压值（尽量选择中

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间点，因为此时为允许输入摆幅最大）：

图2.6 静态工作点的选取

如图2.6所示当输入电压为1.088V时，Vsg= 3.3-1.088=2.212V，输出电压为0.917V，Vsd=3.3-0.917=2.383V，我们就取这个偏置的情况进行讨论。将输入电压源的电压值改为1.088V。静态工作情况显示如下:

图2.7 静态工作点参数

综上为电阻为负载的共源放大器的直流偏置情况设置和显示，交流增益的情况将在

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之后的改变参数的过程中进行讨论。

接下来我们讨论AC分析（交流小信号仿真），分析设置参数如图2.8所示：

图2.8 AC分析的软件设置

其中AC magnitude表示1个单位的交流小信号电压，选择1V主要是为了之后在仿真结果中更加容易的读出增益的大小。开始和截止的频率设置为1Hz~1GHz。运行之后的输出结果为：

图2.9 AC分析的仿真结果

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此时低频小信号的增益约为1.049倍。然后用ac扫描做频谱分析（选择dB20显示）如下图：

图2.10 AC扫描的频谱软件设置

取-3dB的时所对应的频率值（即带宽）, 得到WB（带宽）为714.66MHz。

图2.11 AC扫描的幅频特性仿真带宽结果

此时的结果是否正确我们接下来使用时域瞬态仿真来验证。首先将共源放大器的Vdc删除用Vsin信号源代替，并设置静态工作电压和幅度与频率：

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图2.12 时域瞬态仿真电路原理图

图2.13 时域瞬态仿真参数设置

瞬态仿真结果如下：

图2.14 时域瞬态仿真结果

分别选定输入和输出信号的峰峰值可以看出将1.989V的信号放大为2.0872V，放大倍数为1.049 倍，与ac仿真的结论一致。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ko13.html