CMOS運算放大器的設計與Cadence仿真

錢 香,顧 群

（無錫科技職業學院電子技術學院，江蘇無錫,214028）

CMOS運算放大器的設計與Cadence仿真

錢 香,顧 群

（無錫科技職業學院電子技術學院，江蘇無錫,214028）

本文根據運算放大器的設計要求（開環電壓增益、相位裕度），分析了CMOS 運算放大器的性能參數，設計出器件的幾何尺寸，最后通過Cadence仿真得到性能指標的仿真結果。

運算放大器；開環電壓增益；相位裕度；CMOS

0 引言

運算放大器簡稱運放，是模擬集成電路中的基本單元，一般是閉環的，即內外部都要加入反饋網絡，并且要考慮頻率補償和閉環穩定性等因素。同時，運放是放大連續變化的模擬量，要求電壓增益越高越好。所以對CMOS運算放大器的設計主要從開環增益、輸出擺幅、共模抑制比、頻率特性、失調電壓和功耗等方面考慮。

本文中要求設計的運算放大器性能指標為：（1）開環電壓增益為70dB ；（2）相位裕度至少為60度；（3）工作電壓范圍為2.7V～5.5V。

1 電路分析與設計

運放主要由兩級放大器組成，第一級是差分放大器，主要是提高輸入電阻和共模抑制比；第二級的放大器主要是提高驅動能力。本文設計的放大器如圖1，電路中的M1管和M2管為PMOS管差分輸入對管，M3管和M4管為有源負載管，M8管和M9管組成恒流源偏置電壓電路，給差分放大器和第二級共源放大器提供工作電流，M6管和M7管組成第二級共源放大器，M7管為有源負載，M8管、M9管、M10管、M11管和R構成偏置電路，給M5和M7提供偏置。

圖1 放大器電路

首先，對圖中的偏置電路進行簡單的分析，如圖2。M10管和M11管組成第一組鏡像恒流源，它們的VGS均相同，W/L也相同；M8管和M9管組成第二組鏡像恒流源，并與第一組恒流源構成反饋式閉合環路。對于第二組，它們的柵極連在一起，有下列的關系：

所以，設計時要求M8管的W/L比M9管的大。

圖2 偏置電路

對電源電壓進行直流掃描，掃描范圍為2.7V～5.5V，掃描結果如圖3。當電源電壓從2.7V～5.5V變化時，M10管的電流從4.30099uA～4.6028uA變化，M11管的電流從4.30883uA～4.67989uA變化。在某個特定電壓下，M10、M11管的電流相差比較小，電流鏡的匹配性比較好；電源電壓變化時，M10、M11管的電流變化也比較小，可以給電路提供穩定的電流偏置。

下面進行某些參數的理論計算（以電源電壓VDD為5.5V為例計算，這里不進行公式推導）。圖中M1、M2的參數相同，M3、M4的參數相同，所以計算時只需計算M1、M3的參數，電路中的器件參數和用Cadence仿真電路得到的電流值如表1。

圖3 偏置電路的仿真

表1 計算中的各參數值

計算中要用到下面的公式，將其簡化如下：

（1）開環電壓增益

第一級增益表達為：

第二級增益表達為：

開環電壓增益表達為：

運用式（2）和式（3），計算開環電壓增益表達式中的各個參數，計算結果如表2所示。

表2 參數計算

開環電壓增益

（2）單位增益帶寬

（3）功耗

2 電路仿真

分別仿真VDD為2.7V和5.5V時運算放大器的幅頻、相頻特性，如圖4。

圖4 運算放大器的幅頻、相頻特性

從圖上得到，VDD為2.7V時，開環電壓增益為85.3292dB，相位裕度為71.4435度，單位增益帶寬為408.929kHz；VDD為5.5V時，開環電壓增益為92.4468dB，相位裕度為72.1637度，單位增益帶寬為455.629kHz。

3 總結

本文詳細設計了運算放大器電路并進行了仿真，得到在電源電壓為2.7V～5.5V范圍內，運算放大器的性能比較穩定，并且達到設計要求，開環電壓增益85dB以上，相位裕度達到70度以上。

[1]方蓉，程東方，馮旭.手機背光驅動電荷泵電路的設計[J]. 微計算機信息（測控自動化），2005年第21卷第3期，P125-126

[2]曹香凝，汪東旭，嚴利民.DC-DC電荷泵的研究與設計[J]. 電源世界，2004年第11期，P22-24

[3]李桂宏，謝世鍵編著.集成電路設計寶典[M].北京：電子工業出版社，2006.4，P179-204

[4]（美）維斯特（Weste,H.E.），（美）哈里斯（Harris,D.）著，汪東等譯.CMOS超大規模集成電路設計[M].北京：中國電力出版社，2005.10

[5]（美）艾倫（Allen,P.E.）等著，馮軍等.CMOS模擬集成電路設計[M].北京：電子工業出版社，2005.3

[6]錢香，朱芙菁.可變增益電荷泵的分析與設計.電子器件[J]，2012年2月第35卷第1期，P83-89

[7]何紅松.CMOS兩級運算放大器設計與HSPICE仿真.湖南科技學院學報[J]，2007年12月第28卷第12期，P28-30

The Design and Cadence Simulation of CMOS Operational Amplifier

Qian Xiang ，Gu Qun
（School of electronics and technology, Wuxi Professional College of Science and Technology，Wuxi Jisngsu，214028）

According to the design requirements of the operational amplifier （open loop voltage gain and phase margin）, analyzes the performance parameters of CMOS operational amplifier design, geometric dimensions of the device, the simulation results obtained by Cadence simulation performance.

Operational amplifier; open loop voltage gain; phase margin; CMOS