课程设计报告
设计课题: CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计
姓名: XXX
专业:集成电路设计与集成系统
学号: 1115103004 日期 2015年1月17日
指导教师: XXX 国立华侨大学信息科学与工程学院
一：CMOS二级密勒补偿运算放大器的设计
1:电路结构
最基本的CMOS二级密勒补偿运算跨导放大器的结构如下图，主要包括四部分：第一级PMOS输入对管差分放大电路，第二级共源放大电路，偏置电路和相位补偿电路。
2：电路描述：
输入级放大电路由M1~M5组成。M1和M2组成PMOS差分输入对管，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3和M4为电流镜有源负载；M5为第一级放大电路提供恒定偏置电流。
输出级放大电路由M6和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。
偏置电路由M8~M13和Rb组成，这是一个共源共栅电流源，M8和M9宽长比相同。M12和M13相比，源级加入了电阻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，减少了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。
相位补偿电路由M14和Cc组成，M14工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿。
3:两级运放主体电路设计
由于第一级差分输入对管M1与M2相同，有
R1表示第一级输出电阻，其值为
则第一级的电压增益
对第二级，有
第二级的电压增益
故总的直流开环电压增益为
所以
4：偏置电路设计
偏置电路由 M8~M13 构成，其中包括两个故意失配的晶体管M12 和M13，电阻RB 串联在M12 的源极，它决定着偏置电流和gm12，所以一般为片外电阻以保证其精确稳定。为了最大程度的降低M12 的沟道长度调制效应，采用了Cascode 连接的M10以及用与其匹配的二极管连接的M11 来提供M10 的偏置电压。最后，由匹配的PMOS器件M8 和M9 构成的镜像电流源将电流IB 复制到M11 和M13，同时也为M5 和M7提供偏置。
下面进行具体计算。镜像电流源M8 和M9 使得M13 的电流与M12 的电流相等，都为IB，从而有
而由电路可知
联立上式可以得到：
整理得：
可以看到，IB仅以电阻RB和M12,M13的尺寸有关，不受电源电压的影响。
二：计算参数
对于MOS 管宽长比的设计，可以先选择合适的过驱动电压，然后分配合理的电流，最后再计算宽长比。通常先选择过驱动电压为0.1V~0.2V，如果是已知跨导，就可以计算其电流和宽长比，如果是预先分配电流，也可以计算其跨导和宽长比。
设计步骤：
1：选择Cc 的大小。与Cc 相关的是单位增益带宽、输入积分噪声、z1 位置和
压摆率。Cc 增大大有几个好处，增强极点分裂功能，降低输入积分噪声，降低第二级功耗，提高相位裕度，但缺点是降低了GBW 和压摆率。而且Cc 的选择和负载取值有关，所以我们尽量增大Cc，前提是满足压摆率指标，然后增加gm1 以提高GBW。在IDS1不变的前提下，gm1 的提高可以通过降低VDSAT1 得到。本设计中负载是3pF，考虑寄生电容存在，选取Cc 初值为1.8pF，在后面的步骤中可以通过迭代调整Cc 的值。
2：相位补偿，选取gm6＝3.2gm1。
3：选择过驱动电压，VDSAT1 降低有助于提高共模输入范围,增大输出摆幅，降
低输入失调电压，提高电压增益，提高共模抑制比，提高负电源抑制比。另外，在同等电流前提下，过驱动越小，跨导越大。所以VDSAT1 尽量取小比如0.1V。
4：分配电流。第一级电流增大有助于提高gm1，提高SRint，这里取IDS6＝4IDS1。
取偏置电流IDS8＝10μA，k1＝12，k2＝24，即IDS5＝120μA，IDS7＝240μA，总电流为380μA。
5：计算M1,2 宽长比。已知IDS1＝60μA，VDSAT1＝0.1V，得到(W/L)1＝347.8。当
α＝2 时，W1L1≥64.4μm2，由此得到L1>0.43μm。由于要加上2LD 即0.4μm 的扩散长度，预先取L1＝0.8μm，得到W1 为140μm。因此得到(W/L)1,2
＝140μm/0.8μm。要注意的是，W1L1 乘积不能太大，否则3 点寄生电容会很大。
6：计算M3,4、M6、M5 和M7 的宽长比。由于α＝2，取L3,4＝2L1 即为1.2
μm。为保证小的失调，取L6＝L3,4＝1.2μm（在Level 1 模型中反映不出）。对于L5 和L7，为保证小寄生电容取最小长度0.4μm 即可，因此得到L5,7＝0.8μm。由于gm6＝3.2gm1，IDS6＝4IDS1，得到VDSAT6＝0.125V，进而得到W6＝240μm。再由k1 和k2 得W3,4＝60μm。M5 和M7 是偏置管，为保证小的寄生电容，取过驱动为0.4V。IDS5＝120μA，得到W5＝18μm，因此有W7＝k2/k1×W7＝36μm。从而得到(W/L)3,4＝10/1.2，(W/L)6＝240/1.2，(W/L)5＝18/0.8，(W/L)7＝36/0.8。
7：计算M8,9、M10,11、M12、M13 的宽长比和RB 的阻值。要满足式(2.39)，
同时取(W/L)12＝4(W/L)13。IDS13＝10μA，由式(2.44)和VDSAT13＝VDSAT13＝0.125V 得RB＝6.25k。取L13 ＝ L6 ＝ 1.2μm，得(W/L)13 ＝ (W/L)6/k2 ＝10μm/1.2μm。也得到(W/L)12 ＝40μm/1.2μm，取(W/L)10＝(W/L)11＝(W/L)13＝10μm/1.2μm。取L8,9＝L7＝0.8μm，得(W/L)8,9＝1/k2*(W/L)7＝1.5μ
m/0.8μm。
8：计算M14 的宽长比。由式取这个比例为3.7，得到(W/L)14＝65μm/1.2μm。
最终得到的器件参数如下
M1 140/0.8 M9 1.5/0.8
M2 140/0.8 M10 10/1.2
M3 60/1.2 M11 10/1.2
M4 60/1.2 M12 40/1.2
M5 18/0.8 M13 10/1.2
M6 240/1.2 M14 65/1.2
M7 36/0.8 Cc 1.8 pF
M8 1.5/0.8 RB 6.25 kΩ
注意这里有几个关系式要保证严格成立，即式(2.39)和式(3.7)。至此，完成了电路中各器件参数的手工计算。
