CMOS低噪声高增益放大器的设计及仿真分析.doc

本科学生毕业论文论文题目：cmos低噪声高增益放大器的设计及仿真分析学 院：电子工程学院年 级：专 业：集成电路设计与集成系统姓 名：学 号：指导教师： 摘要运算放大器已经成为模拟电路设计中用途最广、最重要的部分。运算放大器简称运放被广泛应用于无线电接收机的高频或中频前置放大级和一些高灵敏度电子设备中。运放在电路中会产生噪声，在一些需要放大微弱信号的情况下，运放自身的噪声对有用信号的干扰可能会很严重，所以设计了一款低噪声系数、高功率增益、工作稳定性强、有足够带宽和较大动态范围的运算放大器电路。mos场效应晶体管会在电路中产生噪声，而且随着mosfet尺寸的减小与信号幅度的降低，电路中低频噪声特性变得越来越重要。论文首先分析运放电路中主要产生噪声的原因，然后结合基本噪声理论对电路中相应的元器件参数进行分析设计，然后针对电路的各项指标要求再对电路的元器件的参数进行调整。运放输入级采用pmos差分输入的结构，可以提高增益，也起到了抑制噪声的目的，输出级也采用共源共栅形式，可进一步抑制噪声。通过对电路整体的噪声性能分析，优化了电路的噪声特性。最后电路达到了设计的目标：增益带宽积大于60mhz、输入噪声功率谱密度在10mhz时小于35nv/rthz、dc增益大于60db、相位裕度大于45。关键词cmos；运算放大器；低噪声；高增益；带宽abstract operational amplifier (op amp) is the most important and comprehensive element in cmos analog integrated circuits. operational amplifier is widely used in various types of high-frequency or intermediate frequency as a radio receiver pre-amplifier stage or the high sensitivity of electronic devices. mos field effect transistor (mosfet) circuit would bring noise under weak signal amplification. noise interference may be very serious for useful signal in an op amp. thus, it is very necessary that designing an op amp circuit with low noise, high gain, good stability, sufficient bandwidth and large dynamic range.mos field effect transistor circuit would bring noise. with the mosfet sizes decreasing and the signal amplitude decreasing, the low-frequency noise characteristics of the circuit are becoming increasingly important. this paper analyzes mainly noise sources of thee op amp circuit firstly, then designs the corresponding component parameters of the circuit considering of the basic noise theory, and adjusts the parameters of certain components. the input stage of op amp used pmos differential input gain enhances direct telescopic structure to improve gain and suppress noise. the output stage is horizontal+output+stage to further suppress noise. seen from the whole circuit noise performance, the noise characteristics are optimized. at last the simulated result also indicated that it reached the requirement of design: gain bandwidth product should be larger than 60db, input noise power spectral density should be lower than 35nv/rthz, dc gain shoud be higher than 60db, phase margin should be larger than 45.key wordscmos; operational amplifier; low noise; high gain; bandwidthii目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1 论文课题的价值及其意义11.2 运算放大器的发展过程及现状11.3 论文的章节安排2第二章 运算放大器的性能分析32.1 噪声32.1.1 噪声类型32.1.1.1 热噪声32.1.1.2 散弹噪声42.1.1.3 闪烁噪声52.1.1.4 爆裂噪声52.1.2 mos管中影响较大的噪声源52.1.2.1 散弹噪声62.1.2.2 闪烁噪声62.1.2.3 沟道热噪声62.1.3 噪声系数与计算噪声的基本方法72.1.3.1噪声系数72.1.3.2噪声计算方法72.2 开环增益82.3 开环带宽和增益带宽积82.4 输出摆幅92.5 相位裕度92.6 dc功耗92.7 共模输入范围92.8 运放中各性能指标之间的关系92.9 两种常用结构cmos放大器102.9.1 差分结构放大器102.9.2 共源共栅结构放大器13第三章 低噪声高增益运算放大器的设计153.1 电路设计的指标153.2 电路结构的设计153.2.1 电路结构的确定153.2.2 电路的噪声分析173.2.3 电路的增益分析183.3 电路参数的确定193.4 电路参数的验证213.4.1 增益指标的验证213.4.2 噪声指标的验证22第四章 电路的仿真分析234.1 理论值仿真分析234.1.1 直流参数仿真234.1.2 交流小信号仿真244.2 电路的改进及仿真分析254.2.1 m1管与m2管宽长比为20/1的仿真结果254.2.2 m1管与m2管宽长比为30/1的仿真结果264.2.3 增益提高的总结264.3 考虑噪声的仿真分析274.3.1 噪声仿真274.3.2 直流仿真284.3.3 交流分析284.3.4 与设计目标的比较29第五章 版图的设计31结论33参考文献34致谢36cmos低噪声高增益放大器的设计及仿真分析第一章 绪论本章内容主要介绍运算放大器的发展过程，现阶段运算放大器的发展状况论文研究的意义与背景及论文的章节安排。1.1 论文课题的价值及其意义mos晶体管诞生以来，cmos工艺快速发展。虽然cmos工艺有低功耗、低电源、高集成度等许多优点，但是mos晶体管会给电路带来很大的噪声。随着mos晶体管尺寸的减小和信号幅度的降低，芯片内的发热对电路的性能影响将变大，特别是mos器件的噪声随着栅极长度的减小会大幅度增加1。所以较低的噪声成为许多领域衡量运放性能的一个重要指标。cmos前端无线收发器，在光电探测领域和光纤通讯领域，光敏探测的输出信号可能只有几十毫伏甚至只有几毫伏，在通信工程中，由于决定信噪比高低的主要因素是前端的低噪声放大器，所以降低电路的低频噪声很重要2。为了使输出精度足够的信号，集成电路的噪声必须很低，所以对处理小信号的运算放大器提出了很高的噪声要求，这些小信号运放的噪声在很大程度上都受内部运算放大器性能的影响，甚至成为制约其性能突破的瓶颈3。随着集成技术的发展，我们要求运算放大器要具有低噪声、高增益、低功耗、宽频带、高效率、宽摆幅等高性能。为了达到具有这些高性能的要求就得不断改进电路的内部结构、材料、工艺等多方面。在电路结构方面，运算放大器是构成开关电容滤波器、信号放大器和输入/输出缓冲器等模拟电路的模块，在模拟运算、信号处理、a/d和d/a转换器等许多方面有着广泛应用4。通用运算放大器应用很广，几乎任何需要添加简单设备、视频系统以及测试、测量仪表等产品中都离不开运放3。这些系统的性能很大程度上都受到内部的运算放大器性能的影响5。论文的研究的目的就是研究运算放大器的基本结构，对运放的内部噪声进行分析，研究分析电路的性能，找出抑制噪声的方法，设计出性能良好的低噪声运算放大器。1.2 运算放大器的发展过程及现状1960年开始，随着单片电路技术的发展，运算放大器的成本大约降低了两个数量级。1966年741电路的出现标志着集成运算放大器发展发生了重大转折。之后美国几乎所有的集成电路制造厂都再生产这种电路6。最初的集成运算放大器的交流特性很差，仅限于直流放大作用，现在它已经发展为第四代产品。第一代集成电路运算放大器主要采用npn管，只有少量的pnp管，只能满足较低的要求，例如：1964年出现的：ua702，集成运放的电压放大倍数只有20004000。第二代集成运算放大器采用了有源负载，例如：1966年出现的ua741。第三代集成电路运算放大器以超晶体管作为差分输入级，超正管的值高达1000 5000，因此在相同的集电极电流ic情况下，输入偏置电流比普通pnp管低一个数量级以上，输入电阻高，电压放大倍数可达到10。第四代集成电路运算放大器采用了中大规模集成技术，其质量性能指标已接近理想集成运放7,8。1.3 论文的章节安排论文的主要章节结构如下：第一章是绪论。其中先介绍了论文的研究价值与目的、集成电路运算放大器的发展历史和现状。第二章是运算放大器性能的分析其中介绍主要的几种噪声类型、常见的两种cmos放大器结构，通过公式推导知道降低噪声的方法，这些是设计低噪声放大器的前题，还介绍了衡量运算放大器性能的一些其他指标。第三章进行低噪声高增益运算放大器电路的设计，给出设计需达到的设计指标，给出输入级、输出级、补偿电路，初步确定低噪声高增益放大器的电路图，并利用公式计算出理论工艺参数值。第四章利用pspice软件和初步的理论值进行电路仿真分析，查阅文献，参考文献中提供的数据进行调整，比较结果和设计要求，最后达到技术指标，确定电路。第五章对所设计的电路进行了版图设计。最后，总结论文内容，给出论文结论和成果。第二章 运算放大器的性能分析本章是论文设计的理论依据，其中包括对噪声类型的介绍，cmos器件中主要的噪声，计算噪声的方法，常用的cmos放大器结构极其特性，衡量运算放大器性能的一些其他参数指标，如dc增益、增益带宽、相位裕度等。2.1 噪声存在于电子系统中的大部分电子器件，其本身就是噪声源。噪声限制了能够正常处理的小信号电平。因为运算放大器在放大微弱信号时，也将这些噪声源放大。即使电子系统外部的所有干扰噪声都被有效地抑制掉，放大器也会输出一定幅度的噪声信号9。现今的模拟电路设计经常要考虑噪声问题，因为噪声与功耗、速度、线性度之间是相互制约的10,11,12。2.1.1 噪声类型干扰集成电路处理中的模拟信号的噪声大概分为两类：第一类噪声是人为噪声；第二类为固有噪声。人为噪声是指电源或地线或者是衬底对电路的随机干扰，利用适当的的屏蔽系统可以减弱甚至彻底消除人为噪声13。固有噪声是系统固有的，是不可以完全消除的，例如电阻、mos器件等就属于固有噪声。一个系统的最小分辨率或灵敏度与系统的固有噪声密切相关，在信噪比很高的无线通讯系统中，器件的噪声更决定整个通信信道的性能3。本论文中主要分析系统的固有噪声。2.1.1.1 热噪声热噪声是指导体中载流子的无序热运动所产生的噪声称14。只有在绝对零度的时候导体中无载流子的无序热运动；器件的工作环境温度不可能达到绝对零度，所以导体中必然有热噪声的存在。载流子的无序热运动与温度有关，因此热噪声的大小与绝对温度成正比15。实际电阻可以等效为热噪声电压源un与无噪声的理想电阻r串联16。具体如下图所示：图2-1 热噪声电压源模型其噪声电压均方值表达式为: （2-1）t为电阻的绝对温度，一般为-17或290k(热力学温度)；k为玻尔兹曼常数，k=1.38j/k;r为电阻阻值；为频带带宽。从对式（2-1）的分析可以看出，热噪声功率谱密度为一个常数。频率增加到以上时()会下降，在实际测量中检测系统一般的工作频率达不到这个值，会比低很多，这时可以认为热噪声为白噪声3。噪声是随机量，此种方法使用的电源极性随意，但在测试中极性不可以随意改变，在整个电路分析过程中必须一致，以便得到一致的结果。利用诺顿定理，实际电阻也可等效为热噪声电流源in与理想电阻r并联的形式16。如下图所示：图2-2 热噪声电压源模型其噪声电流源的均方值表达式为： （2-2）2.1.1.2 散弹噪声散弹噪声又可以称为散粒噪声，它与越过势垒的电流有关17。产生散粒噪声的条件为：a要有直流电流;b要有载流子可以越过的势垒。可以越过势垒的载流子或空穴-电子对是随机的，基于这个原因直流电流会发生波动。电子器件中具有pn结的器件均存在散粒噪声15。所以二极管三极管器件中均会存在散粒噪声，线性电阻中则不会出现散粒噪声。散粒噪声电流均方值为： （2-3）式中q为电子电荷量，为流过导体或器件的直流电流。2.1.1.3 闪烁噪声两种导体的接触点的电导的随机增大与减小会引起噪声，这种噪声称为闪烁噪声18。在所有的有源器件和一些分立的无源器件当中都会存在闪烁噪声18。在三极管、场效应管的制备过程中，会引入一些杂志、晶体缺陷，这是不能完全避免的，电荷会被这些噪声与缺陷随机且无序的捕获、释放，这就使电流的大小会发生无规则的微小变化，从而使系统产生噪声，所以还可以称闪烁噪声为接触噪声3。闪烁噪声与成正比，频率越低，闪烁噪声越严重，因此又称闪烁噪声为低噪声或噪声，在高频时该噪声可以忽略不计16。烁噪声的大小可表示为： （2-4）式中，为频率；k是经验参数与器件有关也与器件加的偏执电压有关。2.1.1.4 爆裂噪声在许多硅晶体管，存在一种噪声称为爆裂噪声，这种噪声在那些平面扩散型晶体管中广泛存在9。爆裂噪声通常是由一系列宽度不同而幅度基本相同的随机电流脉冲引起的11。爆裂噪声表达式为： （2-5）为直流电流；是常数与器件有关；为一个特定的频率。从这个式子可以看出爆裂噪声与频率成反比，因此爆裂噪声也是低频噪声3，6,7。2.1.2 mos管中影响较大的噪声源并不是所有类型的噪声在mos器件中都占主导地位，这一条中介绍mos器件中影响较大的几类噪声源。2.1.2.1 散弹噪声由上面的分析知散弹噪声与流过pn结的直流电流有关。 （） （2-6）是噪声电流的均方值；q是电子电荷量；是pn结的平均直流电流；是带宽，单位为hz。噪声电流的谱密度为除以，记为。2.1.2.2 闪烁噪声mos器件中一种影响较大的噪声源。这种噪声与半导体中以随机方式捕获和释放载流子形成的缺陷有关19。与此过程相关的时间常数由于能量集中在低频而加重噪声信号20。 （2-7）是常数；是常数（0.52）；是常数（1）。典型的噪声的电流功率谱密度如下图。噪声功率谱密度图2-3 噪声功率谱2.1.2.3 沟道热噪声热噪声的噪声源由电子的随机热运动引起，与器件中流过的直流电流无关。 （2-8）k是波尔滋蔓常数，r是引起热噪声的电阻或等效电阻。2.1.3 噪声系数与计算噪声的基本方法这条中介绍噪声系数的定义及噪声的计算方法。2.1.3.1噪声系数噪声系数用来反映整个系统的噪声，适用于有源网络，主要是二端口网络21。它定义为放大器输入端信噪比与输出端信噪比之比22。信噪比： （2-9）图2-4 定义噪声系数的二端网络图2-4中的网络的功率增益g，则放大器的输出功率可以分为无噪声的输出功率和由该网络产生的噪声功率，所以噪声系数又可以写成如下的形式： （2-10） （2-11） （2-12）式中，为等效到输入端的噪声功率，为输入端无噪声的理想功率。从式中可以看出，噪声系数表示出了噪声对系统的影响情况，在无噪声理想的系统中，噪声系数；对于实际情况。噪声系数很直观的显示了噪声对信号的干扰程度。2.1.3.2噪声计算方法a把输入置交流地，计算电路中各个噪声源在输出端产生的总噪声，即“输出参考电压法”3。采用这种方法计算的输出参考噪声与电路增益有关，很难进行不同电路之间的噪声性能比较。b可以用一个信号源在输入端表示所有噪声源的影响，可以弥补上面方法的不足，即“输入参考电压法”3，这个方法能反映出输入信号受噪声干扰的程度，可以用于不同电路之间的噪声性能比较。如图2-5所示，将电路中所有噪声都等效为一个输入端信号噪声，如果电路的电压增益为，那么输入噪声与输出噪声之间的关系为： （2-13）图2-5 输入参考噪声电压的确定2.2 开环增益在开环状态、标准电源电压和额定的负载电阻下，对输入差模信号的电压放大倍数，称作运放开环增益，用au表示23。高频时au与频率有关，而且au越大对应的反馈系统精度越高。在低频和小信号情况下，典型值从60db到100db3。对于增益比较小的运算放大器，例如增益大小为10倍的运算放大器开环增益对电路的实际增益无影响；对于增益较大的运算放大器，如100倍增益的运算放大器，开环增益对电路实际增益会产生影响。2.3 开环带宽和增益带宽积在小信号激励下，运算放大器开环电压增益会随频率的增加而下降24。直流增益au下降3db（即0.707au）时所对应的信号频率范围定义为运放的开环带宽，也称为-3db带宽16。增益带宽积是有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积，是评价放大器性能的一项重要指标。对于确定的运放增益带宽积是常数，当增益增大时，相应的带宽会因运放内部的影响而减小；带宽增大时，其相应的增益就会减小。2.4 输出摆幅输出摆幅即是输出信号的幅度范围。现在使用运放的系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值25。由于对大摆幅的需求，使差分运放使用的很普遍。对于运放电路，最大电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度等性能指标相互制约、可以互换26。所以对于运算放大器的设计来说，应尽量增大放大器输出摆幅的范围。2.5 相位裕度为保证系统的稳定， 必须在达到之前下降到127。所以相位裕度就定义如下： （2-14）是增益为一时所对应的交点角频率28。2.6 dc功耗由于越来越多的运放电路应用于便携式设备及电池供电设备中，所以电路的功耗增加了很多。特别是如今广泛使用的笔记本电脑，因为发热和工作时间较长等原因，会对电脑性能产生一定的影响，也给使用者带来了不方便之处29。减小功耗可以使运放电路体积减小、电池的寿命更长，海陵芯片工作在一个合适的温度下30。在实际运放中，直流功耗的典型值为0.2510mw3,15,16。2.7 共模输入范围输入共模范围(icmr)：是说明在这个共模信号范围内放大器对差分信号有影响且具有同样增益的放大作用。2.8 运放中各性能指标之间的关系实际中，没有运放能够达到理想运放的全部特性。在实际电路设计中，上面介绍的性能都是运放设计中所要考虑的重要参数。这些参数之间互相制约互相影响，有时要达到某些参数其他的一些参数就会受到影响不能达到目标值。模拟电路设计的八边形法则31给出了参数之间的相互制约关系：1. 噪声与输入电流成反比，电流越大，噪声越低；2. sr、带宽和st与功耗有关；3. 输出驱动能力与电源电流成反比；4. sr和带宽与补偿电容cc成反比，但补偿电容值需要增大到合适的pm，以保证电路稳定。因此再设计运放电路时，应全方面考虑。2.9 两种常用结构cmos放大器2.9.1 差分结构放大器差分放大器是模拟电路中常用的一种放大器。在集成电路技术中差分放大器多用来作为运算放大器的输入级。差分放大器的电路模型如下图左所示。图2-6 差分放大器符号与差模共模的图示定义为： （2-15）电压v1与v2和称作单端电压，这时相对于地而言的。差分放大器的差模输入电压定义为： （2-16）差分放大器的共模输入电压定义为： （2-17）差分放大器的输出电压可以表示为： （2-18）是差模电压增益，是共模电压增益，共模增益的极性不能预先知道。差分放大器的目的是放大两个信号之间的差值，这是引入共模抑制比(cmrr)来进行描述。共模抑制比是差模增益与共模增益的幅度比。理想信号范围内放大器的为零，所以共模抑制比为无穷大。失调电压是影响差分放大器的一个重要因素，在cmos差分放大器中，电压失调是最严重的失调。在理想情况下，差分放大器的输入端相连时，输出电压会在一个一定的可预测的静态工作点上。但是在实际的差分放大器并不如此，输出失调电压定义为输入端相连时实际输出电压和理想输出电压之差。输出失调电压除以差模电压增益定义为输入失调电压。输入失调电压一般在520mv。下图为一个典型的cmos差分放大器的电路结构：图2-7 典型差分放大器对上图的差分放大器来说，可求出其最大共模输入电压(最大)。从到我们必须考察两条路径。第一条是从管的栅极通过管和管到。第二条是从管的栅极通过和到。分析第一条路径我们得出： （2-19）上面的等式可以改写为： （2-20）对于第二条路径： （2-21）因为第二条路径允许更高的，按最坏情况考虑，选择第一条路径。于是图（2-7）电路的最大输入共模电压减去上的电压再加上的阈值电压。m1或m2栅极的最低输入电压可求得为： （2-22）设计差分放大器时，根据上面的原理，如果最大和最小共模输入电压给定了且直流偏置电流也已知，那么就可以求出电路中各种管子的宽长比。将决定(最大)，而()和的值将决定。分析电路还可求出差模电压增益，无负载差模电压增益可以通过找出差分放大器的小信号输出电阻来定义。小信号输出电阻可表示为： （2-23）因此电压增益作为和的乘积而给出： （2-24）如果假设所有管子工作在饱和区，且根据它们的大信号模型等效替换和的小信号参数，可以得到： （2-25）摆率和噪声：cmos差分放大器的摆率性能取决于和输出节点到交流地的电容值。摆率()被定义为最大输出电压变化速率，非正即负。因为在cmos差分放大器中，摆率由从电流源或电流漏进输出/补偿电容的电流量决定，图2-7中的cmos差分放大器的摆率为：摆率= （2-26）式中，是输出节点的总电容。cmos差分放大器的噪声是由热噪声和噪声引起的。根据有用频率的范围，一个起主导作用时，另一个可以忽略。在低频时噪声很重要，而在高频低电流时，热噪声是重要的。总的输出噪声电流由对各噪声电流求和而得到： （2-27）2.9.2 共源共栅结构放大器共源共栅放大器有两个显著的优点，第一个是它能提供较高的输出阻抗；第二个是它减小了放大器输入端的米勒电容效应。这些优点在设计运算放大器的频率性能时是十分重要的。通过分析下面的共源共栅放大器来分析共源共栅结构的增益与噪声性能。图2-8 典型共源共栅放大器图2-8中，的主要功能是使漏极的小信号阻抗变小。从的漏极看进去的小信号电阻近似为，比从的漏极看进去的小信号阻抗大很多。如果忽略的体效应，采用节点分析可以写出： （2-28） （2-29）求解得出为： （2-30）我们可以用图2-8所示共源共栅电流漏（和）的小信号输出阻抗与并联来求输出电阻。因此共源共栅放大器的小信号输出电阻为： （2-31）共栅级电路的输入参考噪声电压的大小和共源级电路的输入参考噪声电压时同一数量级的，所以把共栅连接的mos管m2所产生的输入参考噪声电压折算到共源共栅极电路的输入端时，还要除以共源接法的mos管m1的电压增益(此电压增益往往很大)，因此m2所产生的输入参考噪声电压相对于共源共栅极电路可以忽略不计。同时由于共栅极电路的输入参考噪声电流完全由电路的偏置电流引入，与共栅连接的mos管无关，所以mos管m2产生的输入参考噪声电流相对于共源共栅极电路来说也可以忽略不计，因而mos管m1和m3产生的噪声就是该共源共栅极电路的输出噪声。 第三章 低噪声高增益运算放大器的设计本章的内容是根据第二章的理论基础设计出能够达到设计目的的电路图，并根据设计出的电路的结构与性质计算出满足设计指标时电路器件的理论参数，最后用计算出的器件的理论参数进行计算验证，比较噪声及增益指标等指标是否满足设计需要。3.1 电路设计的指标指标电源电压（v）负载电容（pf）增益带宽积(mhz)功耗（mw）输入噪声功率谱密度（nv/rthz）10mhzdc增益（db）相位裕度输入共模范围（v）输出范围（v）2.5560260db4501.50.52表3-1 设计目标3.2 电路结构的设计本小节主要介绍分析电路结构确定的依据并且对设计的电路的噪声、增益进行分析。3.2.1 电路结构的确定正文运算放大器的结构主要有三种：a.简单两级运放结构；b.折叠共源共栅结构；c.共源共栅结构。本论选择的电路是两级运算放大器结构。因为要求设计具有低噪声和高增益，单级折叠共源共栅和直接套筒式共源共栅这两种结构都很难满足要求，所以选择了两级运算放大器结构。mosfet的噪声可以用如下表达式表示为： （） （3-1）从式（3-1）可以看出。mosfet的噪声包含两个部分，一部分是热噪声，第二部分是噪声。从式(3-1)还可以看出要想将运算放大器的噪声抑制到最小，可以增大小信号跨导，这样可以把等效输入均方电压降到一个很低的值。这个可以通过增大直流电流或者增大mos管的的值来达到目的。对于噪声，要减小其值常用的方法有许多种，例如设计合适的电路、选择适当的晶体管（pmos或nmos）、加适当的直流电流或是改变mos管的宽长比。根据经验pmos晶体管的噪声比nmos晶体管低25倍16。所以，我们可以使用pmos管代替nmos管来减小噪声。最小化噪声的一个重要原则是使第一级的增益尽可能的大16。设计的输入端是一个差分放大器，根据前面的理论源级耦合晶体管必须是pmos管，而且差分放大器的增益必须尽可能大。为了使的噪声最小化，负载晶体管的栅长应该比输入晶体管的栅长更长。两级运算放大器的增益不够大，为了增大两级运放结构的增益，可以增大第一级或第二级的跨导，还可以增大从第一级或第二级看进去的输出电阻。因为输出电阻增加正比于偏置电流的减小，而跨导的增大与偏置电流增大是平方根的关系，所以增大输出电阻比增大跨导更有效。因此本设计采用增加第一级的输出电阻来增大增益。输出电阻显著增大可以通过专门的电路技术实现，例如第二章中介绍的共源共栅结构。基于上面的理论，论文设计的电路中实现增大第一级的输出电阻的方法是在运算放大器的第一级应用共源共栅结构。综合上面的理论，在两级运算放大器的基础上进行改进，在第一级中使用共源共栅结构。确定设计的电路结构如下：图3-1 论文设计电路整体图图3-1所设计的cmos运算放大器可以通过仔细选择的值来实现低噪声的性能16。m8与m9是共源共栅器件，补偿电容返回到m9的源级，允许增大输出极点。因为pmos管具有较低的噪声，所以被选择作为差分级的输入。3.2.2 电路的噪声分析根据对电路的分析，等效输入电压噪声谱密度可以近似地表示为： （3-2）选择合适的噪声谱密度源模型进行分析。如果噪声源是电压： （3-3）如果噪声源是电流： （3-4）选择合适的谱密度噪声源代入式(3-2)得： （3-5）要想降低图（3-1）的噪声，必须让式（3-5）尽量小。所以选择了pmos器件作为输入（m1和m2），如果和（和）的乘积足够大，则就减小了。我们还希望减小式（3-5）中平方项括号内的值，为达到这个目的唯一可调整的变量是和的比值。选择这些比值小于1，给出等效输入噪声谱密度为。如果考虑热噪声的话，来求等效输入噪声谱密度。如果噪声源是电压源，式（3-3）与式（3-4）变为： （3-6）如果噪声源是电流源，忽略体效应（），式（3-4）变为： （3-7）选择适当的谱密度噪声源代入式（3-2），得： （3-8）从上面的分析可以看出减小噪声所采取的方法也可以减小热噪声。3.2.3 电路的增益分析分析图3-1可以得出第一级的输出电阻为： （3-9）第一级的电压增益为： （3-10） （3-11）第二级的输出电阻为： （3-12）第二级的电压增益为： （3-13） （3-14）电路总的增益为： （3-15）从式（3-9）到式（3-15）可以分析出：要增大电路的增益可以增大电路m1管与m6管的跨导，即增加m1与m6管的宽长比。3.3 电路参数的确定给定电路的输入电压为2.5v，共模输入范围为01.5v，负载电容为5pf，设计要求增益带宽积大于60mhz，增益大于60db，所以这里取增益带宽为5mhz，设计要求相位裕度大于45这里取60,摆率sr为。为达到上述指标，计算出每个mos管的理论宽长尺寸，计算过程及结构如下：首先给出补偿电容的最小值： （3-16） （3-17）选定为3pf。选取sr为，用摆率指标和算出: （3-18）选取gb为5mhz，可算出： （3-19）宽长比直接由确定： （3-20）因为m1管的宽长比与m2的宽长比相同，所以： （3-21）m1管的漏极电流为： （3-22）m1管的源漏电压可求出为： （3-23）共模输入范围最大值为,所以： （3-24）所以求得得： （3-25）通过对电路图的分析得m5管的栅极电压： （3-26）m8管的源级电压为： （3-27）由于m8对噪声的影响较小，所以宽长比选择与m1宽长比相同。所以求得： （3-28）的尺寸与的尺寸相同，所以: （3-29） （3-30） （3-31） （3-32）由图（3-1）的分析还可以知道： （3-33）电路中的值取0.5，已知输入共模电压为0，得： 0= （3-34） （3-35） （3-36）设计电路要求相位裕量大于，取，则： （3-37）设，计算出，则： （3-38）所以，m7管的尺寸确定如下： （3-39）到这里，图（3-1）中的mos管的宽长比大概确定了。根据上面的计算分析给出电路中各器件的参数:； ；3.4 电路参数的验证将3.4计算出的电路参数代入电路进行噪声分析与增益分析，验证3.4中设计的电路参数是否能达到设计指标。3.4.1 增益指标的验证参数代入图3-1并分析得，电路第一级输出电阻与增益为： （3-40） （3-41）v/v （3-42）电路第二级输出电阻与增益为： （3-43） （3-44）v/v （3-45）电路总的电压增益为： （3-46）设计要求增益大于60db，通过计算，电路的理论增益为86.5db达到设计要求。3.4.2 噪声指标的验证首先给出噪声常数： （3-47）利用式（3-3）求得：（3-48）利用式（3-5）求得： （3-49）热噪声：（3-50） （3-51） （3-52）由上面的分析可以看出满足设计所要求的指标。第四章 电路的仿真分析本章是对上一章设计的电路图进行实际仿真。实际工作中cmos运算放大器的各方面性能与理论值有一定偏差。本章利用相关软件对电路进行仿真分析，模拟实际工作中的状况，可以分析出噪声等原因对系统的性能指标的影响，从而对电路进行调节，使其达到预期的性能。4.1 理论值仿真分析给定电路的输入电压为2.5v，共模输入范围为01.5v，负载电容为5pf，偏置电压vbias为1v，补偿电容cc为3pf各个mos管的尺寸为：； ； 4.1.1 直流参数仿真用t-spice软件对电路结构及参数进行编程描述，编译运行后仿真结果如下：图4-1 运算放大器直流仿真图4-1为设计的运算放大器的直流分析，通过图可以确定出运算放大器的静态工作点，静态工作点为1.46。4.1.2 交流小信号仿真运算放大器的交流参数主要指开环电压增益、增益带宽gbw、cmrr、psrr。由于全差分运算放大器有很好的对称性，共模电压通常都能很好地得到抑制，所以在测试差分运放电路时，一般不考虑cmrr和psrr。在仿真测试开环电压增益时，同时可以得到增益带宽gbw的仿真结果。仿真结果如图4-2所示，仿真时取ac=1。仿真结果图如下：图4-2 运算放大器交流仿真增益结果图4-2为运算放大器的输出电压增益，从图中可以看出增益为57.25db小于60db，未达到要求的增益指标。增益带宽为7.86m。图4-3为相位裕度的仿真结果。图4-3 运算放大器的相位裕度通过对图4-2与图4-3的分析，可以看出求出的理论参数不能满足电路设计的增益要求，电路可以从结构或是mos管的宽长比进行改进。4.2 电路的改进及仿真分析通过4.1节对计算出的理论参数的仿真分析结果发现电路的增益小于设计目标，这里采用曾加m1管的跨导来提高增益。逐渐增加m1管与m2管的宽长比（m8管与m9管的宽长比随之改变）进行直流仿真与交流仿真，这里只列出了宽长比分别为20/1与30/1的仿真结果其他仿真结果均遵循此规律（将在4.2.3中总结出），与4.1节中理论值仿真结果进行比较分析。4.2.1 m1管与m2管宽长比为20/1的仿真结果将m1管与m2管的宽长改为（m8管与m9管宽长比与m1管相同）编写网表得仿真结果图4-4与图4-5，分别为直流仿真结果与交流仿真结果。从图4-5可以看出将m1管的宽长比增大之后增益增大为63.62db，增益带宽为16.23mhz。图4-4 运算放大器的直流仿真图4-5 运算放大器的交流分析4.2.2 m1管与m2管宽长比为30/1的仿真结果将m1管与m2管的宽长改为（m8管与m9管宽长比与m1管相同）编写网表得仿真结果图4-6与图4-7，分别为直流仿真结果与交流仿真结果。从图4-6可以看出将m1管的宽长比增大之后增益增大为70.72db，增益带宽为16.83mhz。图4-6 运算放大器的直流仿真图4-7 运算放大器的交流仿真4.2.3 增益提高的总结本论文采用增加运算放大器的第一级增益来提高放大器的总的输出增益，因为第一级增益与m1管的跨导有关，m1管的跨导增加增益增大，所以采用增大m1管的跨导来提高第一级增益，从而提高运算放大器的总体增益。从4.1节与4.2节的仿真结果可以分析出，随着m1与m2管的宽长比的增加，尺寸的增大，运算放大器的增益逐渐增大：m1管的尺寸从逐渐增加到时增益从57.25db逐渐增大到63.62db。m1管的尺寸从逐渐增加到时增益从63.62db逐渐增大到70.72db。这与理论分析的结果相符：随着m1管的宽长比的增加，运算放大器的增益增大。4.3 考虑噪声的仿真分析现在来选择影响噪声性能的晶体管的几何尺寸。为了使保持在一个较小的值，取，从4.2小节中的增益提高的总结中，可以分析出将m1管的几何尺寸提高至时，运算放大器的增益也得到了提高，不影响运算放大器的高增益性能。选择，这个选择可以减小放大器中的闪烁噪声与热噪声。最后确定放大器各个mos管的几何尺寸如下：4.3.1 噪声仿真噪声仿真的结果图如下：图4-8 运算放大器的噪声仿真图4-9 噪声仿真的局部放大图从图4-8与图4-9中可以看出运算放大器的噪声参数在1mhz时大约为,从图4-8还可以看出随着频率的增加噪声参数逐渐趋于零，所以当频率趋近于10mhz时的噪声参数小于。4.3.2 直流仿真对从低噪声方面考虑而确定的放大器的几何参数进行直流仿真分析，结果如下图：图4-10 运算放大器的直流分析从图4-10可以看出运算放大器的静态工作点为1.27v。4.3.3 交流分析对从低噪声方面考虑而确定的放大器的几何参数进行交流仿真分析，结果如下图：图4-11 运算放大器的交流分析从图4-11可以看出运算放大器的增益为89.71db，结果达到了设计目标。从图中还可以看出运算放放大器的增益带宽大于23mhz，增益带宽积也达到指标。运算放大器的相位裕度的仿真结果图如下：图4-12 运算放大器的相位裕度从图4-12可以观察出在运算放大器的增益带宽内相位裕度大约为54.58，达到了设计目标。4.3.4 与设计目标的比较从表4-1中各项指标的比较可以看出所设计的电路达到了预期目标，在增益与噪声方面远远超过目标值。指标设计目标实测指标电源电压（v）负载电容（pf）增益带宽积(mhz)功耗（mw）输入噪声功率谱密度