CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 课件 第7章放大器的工程分析与设计

第7章放大器的工程分析与设计主讲：1主要内容学习目标7.1预备知识7.2贯穿项目放大器特征分析7.3贯穿项目放大器的设计7.4贯穿项目放大器的仿真7.5放大器的参数调整7.6工程优化7.7本章总结2【目标7-1】理解理想放大器和实际放大器在性能指标上的异同。【目标7-2】通过对多个参数的调整，理解设计参数与性能指标间的关系。【目标7-3】掌握放大器整体设计与仿真方法。【任务7-1】完成本书贯穿项目的总体设计与仿真，包括放大器电流的分配、MOS管参数分析、电路总体性能指标的仿真、电路性能优化等。教学内容3本章的主要任务是完成本书贯穿项目的总体设计与仿真，包括放大器电流的分配、MOS管参数分析、电路总体性能指标的仿真、电路性能优化等。贯穿项目设计电路如图学习导航4（1）（2）（3）实验七、八7.1预备知识7.1.1理想放大器特征5理想放大器是一种具有完美特征指标的假设模型。输入阻抗：反映了放大器对输入信号源的负载效应。在理想情况下，输入阻抗无穷大，即完全不影响输入信号源，同时放大器不会吸收任何输入信号的能量。输出阻抗：体现了放大器对负载的输出能力。在理想情况下，输出阻抗应该是零，意味着它可以提供任何负载所需的电流或功率，可以确保最大功率传输，且不会导致信号衰减或失真。输入信号范围是指放大器可以有效处理的输入信号幅度范围，表示放大器能够接受的最小和最大输入信号幅度。输出信号范围是指放大器可以生成的输出信号幅度范围，表示放大器能够产生的最小和最大输出信号幅度。理想放大器具备无限的输入输出信号范围，即可以处理任意大小的输入信号，并将其放大到与输入信号成比例的输出信号。7.1预备知识7.1.1理想放大器特征6增益（核心指标），表示输出信号与输入信号之间的倍数关系。理想情况下，放大器应具有无限大的增益，以实现无限制的信号放大。速度：描述了放大器对输入信号变化的快速响应能力。理想情况下，放大器应具有无限大的带宽，能够立即响应输入信号的变化。这可以确保高频信号的准确传输，保持信号的完整性。速度指标在高速数据传输和信号处理应用中至关重要。噪声是非期望的信号成分，可由放大器引入，导致输出信号中出现随机波动或干扰。理想放大器不会引入任何噪声，能够准确地放大输入信号，没有额外的噪声干扰，使得放大后的信号能够忠实地反映原始信号。在实际应用中，放大器存在各种噪声源，包括热噪声、1/f噪声等。这些噪声可以通过适当的技术手段进行抑制和降低，以提高放大器的信噪比和信号质量。7.1预备知识7.1.2如何用理想放大器实现数学运算7虚断：由于理想放大器输入电阻被假设为无穷大，输入端表现为开路。虚短：指输入端和输出端之间几乎没有电压差，即非反向输入端与反向输入端电压相等。注意：虚短只有当待分析电路被正确连接成负反馈时才有意义。数学运算功能，例如：同向比例放大、反向比例放大、对数运算、积分运算和微分运算等。理想放大器虚短虚断7.1预备知识7.1.2如何用理想放大器实现数学运算8理想放大器（a）同相比例放大电路

（b）反向比例放大电路7.1预备知识7.1.2如何用理想放大器实现数学运算9（c）对数运算电路（d）积分运算电路97.2贯穿项目放大器特征分析1011画出贯穿项目的符号图作答主观题10分7.2贯穿项目放大器特征分析127.2.1输入输出电阻与信号范围VDDINPINNVOUTVSSEN7.2.2增益与速度7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.1输入输出电阻与信号范围13输入级使用PMOS管MINN和MINP作为输入对管，低频输入电阻接近无穷大输出级，PMOS管MPDRV作为放大管，作为负载管若MOS管沟道长度L越短，沟道长度调制系数越大，电阻rO减小；流过MOS管的漏源电流增大，也会使得电阻减小147.2贯穿项目放大器特征分析7.2.1输入输出电阻与信号范围讨论：反馈网络的总电阻:放大器的输出电阻降低，会导致放大器增益的下降怎样解决？157.2贯穿项目放大器特征分析7.2.1输入输出电阻与信号范围工程问题7.2-1为了避免反馈网络中的电阻影响放大器的增益，是否可以将图7.1-1（b）中的反馈电阻改用电容替代？直接替代会存在什么问题？图7.2-2采用电容作为反馈的反向比例放大器讨论：流过电容C2的电流等于流过电容C1的电流改变电容比值可以改变输入输出电压的比值但是，由于V-被电容以及高阻环绕，其直流偏置电压无法设置。因此，如果采用电容作为反馈网络，需要附加额外的开关电容电路。7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.1输入输出电阻与信号范围16保证MP2处于饱和区输入输出信号范围使MINN，MINP处于饱和区输出信号范围，只需确保MPDRV，和MN5处于饱和状态输入信号范围注意：当输入输出短接在一起组成单位增益放大器时，电压需同时落在输入输出的范围。7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度17第一级：折叠共源共栅的负载是单边的共源共栅结构，输出电阻约为：整个放大器的总增益：第一级增益与后续增益相乘，

1、增益分析图7.1-1中的同向比例放大器与理想同向比例放大器相比，误差约为为环路增益讨论：如何降低误差？讨论：怎样求增益？18节点（1）：第一级的输出，即MP4的漏端，标记为X；节点（2）：第二级的输出，即MPDRV的漏端，标记为Y7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度2、速度分析速度指标与带宽和压摆率密切相关。讨论：如何分析带宽？

Y和X之间的电压差为19第一级的输出极点：第一级输出端看到的电阻电容乘积：这个极点频率比较低，是系统的主极点。7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度第二级的输出极点为：207.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度求Y处的电阻：1.Y电压变化ΔV，MNC4共栅，X电压变化为2.Y处电流3.电阻很小第二级的输出极点为：21

7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度放大器的速度不仅与带宽相关，还与摆率（slewrate，SR）密切相关。摆率表示放大器输出信号在单位时间内的最大变化率，受放大器的偏置电流限制，属于大信号响应。

当一个大的阶跃信号VH-STEP输入到放大器时，由于放大器的偏置电流的限制，放大器的摆率一般不会超过上式的值227.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度2323

工程问题7.2-27.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度讨论：当输入一个5mV的阶跃信号，输出最终会稳定在10mV<不会出现摆率限制由2424

工程问题7.2-27.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度讨论：当输入一个50mV的阶跃信号，输出最终会稳定在100mV>出现摆率限制第一部分从0V到85mV,第二部分2525分析贯穿项目的摆率7.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度静态平衡时26267.3贯穿项目放大器的设计制定验证计划书：明确罗列需验证的项目、设置、覆盖面以及计划进度等事项27简述贯穿项目放大器的中每个MOS管的作用作答主观题10分7.3贯穿项目放大器的设计28从电流分配入手。从摆率以及增益带宽积GWB指标入手求出所需的电流。

①从摆率出发，如图7.2-6（b）和（c）所示，需要同时满足：29ISSIOUT

CC7.3贯穿项目放大器的设计7.3贯穿项目放大器的设计30

31ISSIOUT

CC

7.3贯穿项目放大器的设计7.3贯穿项目放大器的设计32

33ISSIOUT

CC

7.3贯穿项目放大器的设计7.3贯穿项目放大器的设计34

35ISSIOUT

CC

50/11700/1=220/0.137.3贯穿项目放大器的设计7.3贯穿项目放大器的设计36

37ISSIOUTCC

50/11700/1=220/0.13

2.9/0.558/0.5243.6/0.57.3贯穿项目放大器的设计7.3贯穿项目放大器的设计38

39ISSIOUTCC50/11700/1=220/0.13

2.9/0.558/0.5243.6/0.52.5/0.550/0.525/0.5

7.3贯穿项目放大器的设计7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.1放大器的DC仿真40本小节对贯穿项目放大器的DC仿真方法进行详细的说明。表7.4-1中列出了需要进行DC仿真验证的项目。除了表中所列条目还需特别留意每个管子的工作区是否合理，管子的过驱动电压是否合理，以及每个节点电压是否合理。417.4贯穿项目放大器的仿真7.4.1放大器的DC仿真427.4贯穿项目放大器的仿真7.4.1放大器的DC仿真43STB仿真主要是测试电路的稳定性，包括运放在闭环电路中的增益和相位裕度的值,从而判别电路是否正常工作。本小节对放大器的STB仿真验证方法进行详细的说明。表7.4-3中列出了需要进行STB仿真验证的项目。验证项目仿真结果tt，25℃波特图的幅值图

波特图的相位图

单位增益带宽fu

相位裕度PM

7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.2放大器的STB仿真441.在EDA软件中利用iprobe连接放大器的输出与反向输入端电路图并搭建仿真环境，使用iprobe时须留意器件中的箭头标识确定接入电路的方法，箭头起点端连放大器的输出端。iprobe器件连入电路后相当于理想导线，如图7.4-6所示。7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.2放大器的STB仿真452.配置STB仿真参数。同DC仿真一样打开分析方式选择页面。按如图7.4-7中所示，选择stb分析并配置相应的仿真参数。7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.2放大器的STB仿真463.配置输出参数。所有输出参数的名称以及计算公式信息如表7.4-7所示。7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.2放大器的STB仿真474.配置仿真模型与工艺角。5.运行STB仿真。配置完毕的ADEL界面如图7.4-8所示，运行仿真后将会自动弹出波特图并将单位增益带宽和相位裕度显示在MDEL2界面Results栏中。7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.2放大器的STB仿真48仿真的目的是为了获得时域波形图，观察放大器的大信号特征。1.将图7.4-6中的DC电压源V0上方叠加一个vsin元件替换，并进行参数配置，如图7.4-9所示。V0的直流电压设为0.8V，其余元件和参数保持不变7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.3放大器的瞬态仿真7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.3放大器的瞬态仿真492.配置瞬态仿真参数。打开分析方式选择页面，按如图7.4-10中所示，选择tran分析并配置相应的仿真参数。503.配置输出参数。在MDEL2中点击Outputs→SelectedFromDesign选项，在弹出的电路图界面中用单击OUT以及INP的电气连线。如果设置成功，在MDEL2界面中的Outputs栏中将能看到如图7.4-10所示的信息。4.配置仿真模型与工艺角。7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.3放大器的瞬态仿真515.运行瞬态仿真。运行仿真后将会自动弹出图7.4-11所示的时域瞬态波形图。由于超出了容许的输入范围，图中瞬态波形出现了畸变。7.4贯穿项目放大器的仿真7.4.3放大器的瞬态仿真7.5放大器的参数调整

7.5.1满足增益带宽积的前提下提升增益52开环放大器的增益随工作点的变化而显著改变，这导致输出信号存在显著的非线性现象。为了降低这种非线性，多数系统会选择使用闭环形式。通过提升环路增益，可以有效降低闭环系统的误差，满足许多应用对高精度放大的需求。例如模数转换器，它需精确地维持或比例放大已采样的信号，这便要求放大器具备高增益。在一个两级放大器中，总增益等于第一级增益和第二级增益的乘积。要提升总增益，可以提高第一级或第二级的增益。每一级的增益取决于该级的跨导和输出电阻的乘积。53

7.5放大器的参数调整

7.5.1满足增益带宽积的前提下提升增益54

7.5放大器的参数调整

7.5.1满足增益带宽积的前提下提升增益55

7.5放大器的参数调整

7.5.1满足增益带宽积的前提下提升增益56图7.5-1提高第一级的跨导后的波特图有趣的是，如图7.5-1所示，若MINN的W增加到200𝜇𝑚，增加第一级的跨导𝑔𝑚,MINN，增益从58.8dB提高到63.6dB，同时在幅度为0附近的地方出现了一个零点，导致出现两个过零点，这对瞬态响应将会产生不好的影响。可见，在设计过程中理论分析和仿真分析需要相互配搭。7.5放大器的参数调整

7.5.1满足增益带宽积的前提下提升增益57

7.5放大器的参数调整

7.5.1满足增益带宽积的前提下提升增益7.5放大器的参数调整

7.5.2调整米勒电容58

为了保持相位裕度不变，次极点的频率应大约为2.2倍的GBW。换言之，为了达到这个要求，第二级的跨导需要同步增加。然而，增加第二级的跨导是非常困难的，可能需要大量的电流或相当大的面积。59

7.5放大器的参数调整

7.5.2调整米勒电容7.5放大器的参数调整7.5.3调整过驱动电压60

61将本章讨论放大器的PMOS输入结构改成NMOS输入结构。作答主观题10分7.6工程优化7.6.1使能控制62为了利用使能信号来控制电路工作或休眠，需要在电路中加入控制开关。这些控制开关需要满足如下要求:使能时不影响电路正常工作，即不改变电路DC工作点和AC参数。无论使能与否，都不发生短路，包括永久和瞬时的短路。不使能时尽可能减少静态电流。开关的控制信号为使能信号EN。不仅如此，我们还利用反相器来获得ENB信号。目的是在不同节点实现对电路的使能控制。图7.6-1中，S1-S7为加入的开关，开关的功能见表7.6-1。7.6工程优化7.6.2匹配优化63小Tips:中心对称：版图绕其中心点旋转180度后与原图重合；轴对称：版图沿某条直线对折后可完全重叠.

在现实中，任何IC制造工艺都不可能是理想的，工艺偏差总会存在。而且IC制造工艺的有些步骤，如离子注入，并不能保证物质在芯片的各个区域和各个方向都分布均匀，特别是板块边缘部分。这就会导致即便两个器件的尺寸相同，它们的电特性仍会有偏差。这个偏差反映在芯片上，往往是参数偏差和结果失真。因此，提高电路中重要器件的匹配度就显得尤为重要。为了能提高匹配的精度，版图的图案需要是对称的，包括中心对称和轴对称。因为只有这样，从任意方向观察，待匹配器件A和B所处的“环境”都是相同的。这样才能更好的缓解由制造工艺带来的偏差。由于板块边缘更具有不确定性，版图工程师经常会牺牲一点芯片面积，在待匹配器件外侧包围一圈相同的器件。这些器件被称为dummy