CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计

一种CMOS二级密勒补偿运放的设计

一个实际的运放电路包含很多极点，为了使运放可以正常工作必须对其进行频率补偿。所谓“补偿”就是对运放的开环传输函数进行修正，这样就可以得到稳定的闭环电路，而且获得良好的时间响应性能。两级运放的频率补偿存在一个问题。我们的补偿原理是使其中一个主极点向原点靠拢，目的是使增益交点低于相位交点。然而这样就需要一个很大的补偿电容。大电容在集成电路中是很难制作而且不经济的。实践证明，通过密勒效应可以以一个中等的电容器的值实现单独利用大电容才可以做到的补偿效果。这种补偿方法就是“密勒补偿”。一种CMOS 二级密勒补偿运放的设计，主要有第一级差分放大，第二级共源级放大，电流偏置电路以及密勒补偿电路四部分组成。首先，手动计算各项参数，分析各项参数与性能之间的相互制约关系。然后，利用电路EDA仿真软件对电路进行仿真，对参数进行一些微调以满足运放的设计指标。

因为数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在数字集成电路的设计中已经具有很高的自动化。但是由于模拟电路设计的一些不确定性，一般来说，手工进行参数的预算是不能缺少的一个环节。

运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。各种电路系统中都离不开运放：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。

运算放大器的设计基本上是分为两个部分。第一是选择电路结构，第二是电路的各项参数的确定。比如静态工作电流，每个管子的尺寸等参数。这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。很多参数的确定需要不断地权衡来满足性能。

该设计第二章分析电路的原理开始,第三章接着介绍对运放的各个指标做介绍

CMOS两级运放的设计

1 设计指标

在电源电压 0-5V,采用 0.5um 上华 CMOS 工艺。完成以下指标：共模输入电压

开环直流增益单位增益带宽相位裕度

转换速率

负载电容

静态功耗电流共模抑制比PSRR

固定在〔

V DD V SS〕

2

60dB

30MHZ

60deg ree

30

V

us

3 pF

1mA

60dB

60dB

2 电路分析

2.1 电路图

2.2 电路原理分析

两级运算放大器的电路结构如图 1.1 所示，偏置电路由理想电流源和 M8 组成。 M8 将电流源提供的电流转换为电压， M8 和 M5 组成电流镜， M5 将电压信号转换为电流信号。输入级放大电路由 M1～ M5 组成。 M1 和 M2 组成 PMOS 差

分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；

M3、M4 电

流镜为有源负载，将差模电流恢复为差模电压。 ； M5 为第一级提供恒定偏置电

流，流过 M1 ，2 的电流与流过 M3,4 的电流 I

d1,2

I d 3,4

I d 5 / 2 。输出级放大电路

由 M6 、M7 组成。 M6 将差分电压信号转换为电流，而 M7 再将此电流信号转换为电压输出。 M6 为共源放大器， M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由 Cc 构成，构成密勒补偿。

3 性能指标分析

3.1 直流分析

由于第一级差分输入对管 M1和 M2相同，有

第一级差分放大器的电压增益为：

g

m1

A

v1

g

ds2

g

ds4

第二极共源放大器的电压增益为

g

m6

A

v2

g

ds6

g

ds7

所以二级放大器的总的电压增益为

一、二级运放的结构及设计指标计算

1.题目：二级密勒补偿运算放大器设计

2.小组成员：

3.设计思路

设计要求

在阅读复旦大学设计资料后，对之间学习过的带隙基准电路总结对比，寻找不同的结构的作用。

最基本的COMS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如图所示。主要包括四部分：第一级输入级放大电路、第二级放大电路、偏置电路和相位补偿电路。

主要的任务如下：计算相应的设计指标、设计相应参数、绘制cadence核心原理图、绘制Smybol，搭建仿真测试电路、测试并仿真基本指标。对比仿真结果，优化各项性能最后进行版图绘制，了解并生成版图。提取参数并进行仿真，对比各项指标。

1.输出级放大电路由M6、M7组成。

M6为共源放大器。

M7为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。

M14和Cc构成相位补偿电路。

因为M14工作在线性区，通过m14的直流电流为0，所以M14可等效为一个电阻，m14与电容Cc构成RC密勒补偿

2.输出级放大电路由M6、M7组成。

M6为共源放大器。

M7为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。

M14和Cc构成相位补偿电路。

因为M14工作在线性区，通过m14的直流电流为0，所以M14可等效为一个电阻，m14与电容Cc构成RC密勒补偿

3.偏置电路由M8～M13和RB组成。

M8和M9宽长比相同。

M12与M13相比，源极加入了电阻RB，组成微电流源，产生电流IB。

对称的M11和M12构成共源共栅结构，减小沟道长度调制效应造成的电流误差。在提供偏置电流的同时，还为M14栅极提供偏置电压。

M1和M2为第一级差分输入跨导级，将差分输入电压转换为差分电流；

带米勒补偿的两级运放设计过程

引言：

两级运放是电子电路中常用的一种放大电路，它由两个级联的运算放大器组成。而在某些特定的应用中，为了提高电路的性能，需要引入米勒补偿。本文将介绍带米勒补偿的两级运放的设计过程。

一、设计需求分析：

在设计带米勒补偿的两级运放之前，首先需要明确设计需求。常见的需求包括增益、带宽、输入阻抗、输出阻抗等。

二、确定运放类型：

根据设计需求，选择合适的运放类型。常见的运放类型有差分运放、非差分运放、共模反馈运放等。根据具体应用场景和性能需求，选择适合的运放类型。

三、选择运放器件：

根据运放类型，选择合适的运放器件。考虑器件的性能指标、价格、供应情况等因素，选择性能最佳的运放器件。

四、第一级运放设计：

1. 确定第一级运放的增益。根据设计需求，确定第一级运放的增益。可以通过调整反馈电阻和输入电阻的比值来实现所需的增益。

2. 设计输入级。根据输入信号的幅度和频率范围，选择合适的输入

级电阻和电容，以实现所需的输入阻抗和频率响应。

3. 设计输出级。根据输出信号的幅度和频率范围，选择合适的输出级电阻和电容，以实现所需的输出阻抗和频率响应。

五、第二级运放设计：

1. 确定第二级运放的增益。根据设计需求，确定第二级运放的增益。同样可以通过调整反馈电阻和输入电阻的比值来实现所需的增益。

2. 设计输入级。根据输入信号的幅度和频率范围，选择合适的输入级电阻和电容，以实现所需的输入阻抗和频率响应。

3. 设计输出级。根据输出信号的幅度和频率范围，选择合适的输出级电阻和电容，以实现所需的输出阻抗和频率响应。

一种CMOS二级密勒补偿运放的设计

一个实际的运放电路包含很多极点，为了使运放可以正常工作必须对其进行频率补偿。所谓“补偿”就是对运放的开环传输函数进行修正，这样就可以得到稳定的闭环电路，而且获得良好的时间响应性能。两级运放的频率补偿存在一个问题。我们的补偿原理是使其中一个主极点向原点靠拢，目的是使增益交点低于相位交点。然而这样就需要一个很大的补偿电容。大电容在集成电路中是很难制作而且不经济的。实践证明，通过密勒效应可以以一个中等的电容器的值实现单独利用大电容才可以做到的补偿效果。这种补偿方法就是“密勒补偿”。一种CMOS 二级密勒补偿运放的设计，主要有第一级差分放大，第二级共源级放大，电流偏置电路以及密勒补偿电路四部分组成。首先，手动计算各项参数，分析各项参数与性能之间的相互制约关系。然后，利用电路EDA仿真软件对电路进行仿真，对参数进行一些微调以满足运放的设计指标。

因为数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在数字集成电路的设计中已经具有很高的自动化。但是由于模拟电路设计的一些不确定性，一般来说，手工进行参数的预算是不能缺少的一个环节。

运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分。各种电路系统中都离不开运放：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。

运算放大器的设计基本上是分为两个部分。第一是选择电路结构，第二是电路的各项参数的确定。比如静态工作电流，每个管子的尺寸等参数。这个步骤包含了电路设计的绝大部分工作。很多参数的确定需要不断地权衡来满足性能。

该设计第二章分析电路的原理开始,第三章接着介绍对运放的各个指标做介绍

LAB2 两级CMOS 运算放大器的设计

V SS

vout

iref

图 1两级CMOS 运算放大器

一：基本目标：

参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标：

5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-

5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>

out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤

相位裕度：60

为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：

单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。

表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性

二：两级放大电路的电路分析：

图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流

1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的

模拟IC设计（双语）

课程设计报告

课程模拟IC设计（双语）

题目二级运算放大器

2013年6月13日

1.课程设计名称

二级密勒补偿运算放大器。

2.课程设计内容

二级密勒补偿运算放大器，采用0.35um工艺设计。

3.课程设计目的

训练学生综合运用学过的数字集成电路的基本知识，独立设计相对复杂的模

拟集成电路的能力。

4.课程设计指标

电路图如下：

设计指标：静态功耗小于5mw 开环增益大于70dB 单位增益带宽大于5MHz 相位裕量大于60度转换速率（SR）大于20V/us 共模抑制比大于60dB 电源抑制比大于70dB 输入失调小于1mV 负载电容：2-4pF

5.课程设计要求：

1、手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确，保证每个

晶体管的正常工作状态。

2、使用Hspice工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性（低频增益，相位裕度，单位增益带宽）、CMRR、PSRR、共模输入输出范围、SR等。

3、每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按不及格处理。

4、完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表，仿真结果。

5、相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看HSPICE手册。

6.课程设计原理及调试

7.课程设计网表

1.网表

*amplifier

.lib 'c:\lib\h05hvcddtt09v01.lib'tt

.opt scale=1u

Vdd vdd gnd 3.3

mp8 b b vdd vdd nvp w=20 l=2

mp9 f b vdd vdd nvp w=20 l=2

二级运放的米勒补偿

1. 什么是二级运放？

二级运放（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种高增益、差分放大器。它具有两个输入端（非反相和反相输入端）和一个输出端。通过调节反馈电阻和输入电压，我们可以利用二级运放实现各种电路功能，如放大、滤波、比较等。

2. 米勒补偿的概念

米勒补偿是一种用来提高二级运放频率响应的技术。在某些情况下，二级运放的频率响应可能会受到内部电容的影响而产生不稳定性和失真。为了解决这个问题，我们可以采取米勒补偿方法。

3. 米勒补偿原理

米勒补偿通过引入额外的电容来抵消内部电容对频率响应的影响。具体而言，当输入信号经过非反相输入端时，它会受到内部电容Cm1的影响。这个内部电容会与反馈电阻Rf1形成一个低通滤波器。为了抵消这个低通滤波器的影响，我们可以在反馈路径上引入一个额外的电容Cm2，使得它与Cm1形成一个高通滤波器。这样，两个滤波器的效果可以相互抵消，从而提高二级运放的频率响应。

4. 米勒补偿电路示意图

下面是一个典型的使用米勒补偿的二级运放电路示意图：

+--------------+

| |

| |

R1 | Op-Amp |

------|---■■■■■■------ RL

| |

Rf | |

------|---+ |

| | Cm1 |

+---┼──Rf1 |

| |

┼ Cm2 |

┼ |

GND GND

在这个电路中，R1和Rf分别为输入端和反馈路径上的电阻，RL为负载电阻。Cm1和Cm2分别为内部电容和米勒补偿引入的电容。

5. 米勒补偿参数设计

为了正确设计米勒补偿参数，我们需要考虑以下几个因素：