CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 课件 蔺智挺 第6-10章 放大器的输出级设计-张弛振荡器

第6章放大器的输出级设计主讲：1教学内容

2探讨如何选择合适的输出级，掌握设计共源放大器输出级（下图中蓝色高亮部分）的方法，以及掌握对放大器进行相位补偿的方法。主要内容学习目标6.1预备知识 6.2选择合适的输出级 6.2.1共源放大器作为输出级6.2.2源跟随器作为输出级6.2.3AB级放大器作为输出级6.3两级放大器的振荡 6.3.1闭环工作的放大器6.3.2闭环放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法6.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡6.4.2共源共栅频率补偿

6.5放大器输出级DC仿真6.6本章总结3【目标6-1】掌握选择合适输出级的方法。【目标6-2】掌握放大器相位补偿的方法。【目标6-3】完成共源放大器输出级电路的设计。 4学习导航（第1次课）（第2次课）（第3次课）（第4次课）实验6.1预备知识5理想电压源，输出阻抗RO为零，输出电压VO与提供给负载RL的电流IO无关实际电压源，输出阻抗RO不为零，输出电压VO随提供给负载RL的电流IO的变化而变化。电压源输出阻抗越小，其特性越接近于理想电压源。电压源的等效模型及其电压电流特性(1)电压源的模型6.1预备知识6（2）电压跟随器根据运算放大器的“虚短”效应，可得到VOUT=VREF可以看出（1）输出电压VOUT与电源电压VDD无关，因此可以减缓来自VDD的波动，实现稳压效果（2）输出电压VOUT也与负载RL无关（3）可以在给各种负载提供不同驱动电流的同时保持输出电压的稳定，功能上相当于一个电压源。6.2选择合适的输出级7输出级是两级放大器的最后一级，对放大器的整体性能有着关键性的影响。其作用包括：把前一级的信号转换至负载所需的电压增加两级放大器的电压增益为负载提供合适的驱动电流等通常来说同一种电路结构无法满足所有应用场景的要求，因此需要进行合理的选型。本节将对共源放大器、源跟随器、AB级放大器组成的输出级进行简要介绍，帮助读者进行选型。6.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级8前面讨论了共源放大器:为了体现输出级驱动负载的功能，增加了RL和CL作为此输出级的负载。

共源放大器增益会随输入信号频率的增加而降低若将其作为输出级？9共源放大器的输出电阻为如果RL值比较大，则此共源放大器可能具有较低的3dB带宽。因此如果采用共源放大器作为输出级，则有可能会降低放大器的带宽，进而影响速度。6.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级加入负载后，会带来什么影响？则共源放大器的3dB带宽：106.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？确定其电源电压VDD、输出电压VOUT以及消耗的电流。在实际应用中，电源电压通常是已知的若假设应用场景是电压跟随器，则其输出电压也是已知的因此我们只需要确定输出级所消耗的电流即可。在确定了上述的基本条件后，即可进行共源放大器输出级的设计。11写出NMOS器件工作在饱和区的电流公式（考虑沟道长度调制效应）作答主观题10分126.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？共源放大器输出级的设计步骤Step1：计算MN1的宽长比W/L。给输出级分配合适的静态电流I1并假设MN1的过驱动电压VGS,MN1-VTHN为0.2V，由I1可得到：Step2：选取MN1的L，然后计算出W136.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？Step3：计算MP1的宽长比，需要确定流经MP1的电流以及其过驱动电压设流过MP1的最大电流为则MP1的VOV也取最大值此时为VIN_MIN须保证VIN_MIN大于等于前一级的输出电压的最小值V1ST_MIN，并留有一定的设计电压裕度又需要MP1工作在饱和区，则0.2为了保留电压裕度所以取和中的较小值，根据MOS管电流公式就可以计算出MP1的W/L

146.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？Step4：计算在最小电流情况下VIN的值设流过MP1的最小电流为VIN_MAX根据（考虑沟道长度调制效应的）电流公式计算此时的Step5：确定VIN_MAX是否也位于前一级的输出电压范围内如果VIN_MAX高于前一级的输出电压上限，意味MP1的W/L偏大了，则需要将调整得更大一些，然后重新计算MP1的W/L重新完成步骤（3）~（4）Step6：采用工艺允许的最小L值，计算出PMOS管的W156.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1假设VDD为1.8V，前一级放大器的输出范围是0.7V到1.6V，输出电压VOUT为0.9V，静态电流I1为10μA，输出电流的最小值IOUT_MIN为0，最大值IOUT_MAX为10mA，最小工艺长度的。要求完成图6.2-1中共源放大器输出级的电路设计并进行仿真验证。166.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1设计：Step1：Step2：Step3：当MP1流过最大电流取其中较小的电压值作为过驱动电压，即176.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1设计：Step4：MP1在最小电流状态下的过驱动电压值为在前一级的输出电压范围内取工艺允许的最小Step5：Step6：186.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1仿真验证：VIN和出现了一定的偏差，原因在于：沟道长度较短、MP1进入了亚阈值区域、电流范围较大，使MP1的特性偏离了计算所用的平方律特性。19假设VDD为1.8V，前一级放大器的输出范围是0.2V到1.1V，输出电压VOUT为0.9V，静态电流I1为10μA，输出电流的最小值IOUT_MIN为0，最大值IOUT_MAX为10mA，最小工艺长度的。要求参考图6.2-1中共源放大器输出级的电路设计NMOS共源级。作答如果是采用NMOS共源放大器输出级，则|VGS,MP1|-|VTHP|应替换为VGS,MN-VTHN，

VDD-(V1ST_MIN+0.2V)-|VTHP|应替换为(V1ST_MAX-0.2V)-VTHN，VDD-VOUT-0.2V应替换为VOUT-0.2V，VIN_MAX应替换为VIN_MIN。主观题10分206.2选择合适的输出级6.2.2源跟随器作为输出级图6.2-2源跟随器共漏结构，也称为源跟随器所以VOUT电压相对较低（1）源跟随器输出级不适用于需要输出较高电压的场合216.2选择合适的输出级6.2.2源跟随器作为输出级（2）小信号增益因此其直流电压增益约为1通常226.2选择合适的输出级6.2.2源跟随器作为输出级（3）输出电阻比较小在具有相同的负载电容的情况下，与共源级放大器输出级相比，源跟随器输出级会具有更宽的3dB带宽，对多级放大器的响应速度影响也较小23参考下图，画出PMOS共漏级（源跟随器）的电路图，并小信号分析增益。作答主观题10分24对共源、共栅、共漏放大器的结构进行归纳，包括输入阻抗、输出阻抗、增益等。作答主观题10分256.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级A类放大器：显著特点是在整个输入信号周期内（360度）持续传导电流，其输出级的晶体管始终保持在导通状态。B类放大器：一对输出晶体管仅在输入信号的半个周期内（180度）导通，信号的正半周期和负半周期输出波形交替激活，在输出端组合形成一个完整的输出波形。线性度非常高，适用于高保真信号放大的场合。无输出信号的情况下，晶体管也必须提供等于或大于产生最大输出信号所需的最大负载电流。极大的能量浪费，很少被用于高功率放大器应用显著提高了放大器的工作效率，因为在任何给定的时刻，只有半数的输出设备在消耗功率但存在交越失真的问题26AB类放大器：对输出晶体管施加一个小的静态电流偏置，确保在没有信号或信号很小时，正负相通道始终保持微开状态，有效克服B类放大器的交越失真问题。由AB级放大器组成的输出级6.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级实际上是将组成放大器的MOS管偏置于刚导通的临界点上，降低其在无输入信号时所消耗的电流保持较高线性度的同时，也具有较高的能效27无输入信号时，电流Ib1将M1和M2都偏置于刚导通的临界点上，使M2的栅极与电源之间形成了2倍的阈值电压（2|VTHP|）大小的电压差。如果M4的电流和尺寸都与M2相同，则M4的|VGS|也约为|VTHP|，因此M5也会被强制偏置于导通的临界点上，使得流经M5的电流较小。同理，如果电流Ib2将M6和M7都偏置于导通的临界点上，且M8的电流和尺寸都与M6相同，则M11也会被强制偏置于导通的临界点上，使得流经M11的电流较小。由AB级放大器组成的输出级6.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级28AB级放大器输出级能够像其它两种输出级一样驱动负载，且能够减小放大器在无输入信号情况下输出级消耗的电流，具有更高的电流效率。采用了AB级放大器输出级的两级放大器6.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级29若采用共源放大器作为输出级，则该输出级属于A类放大器B类放大器AB类放大器以上都不是ABCD提交单选题2分30若采用源跟随器作为输出级，则该输出级属于A类放大器B类放大器AB类放大器以上都不是ABCD提交单选题2分小结共源放大器作为输出级源跟随器作为输出级AB类放大器作为输出级31讨论：各有何优缺点？6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器32不能。可以直接用上一节中介绍的三种输出级来驱动负载吗？设输入电压VIN是一个固定值，某条件下，此输出级能给负载电路提供足够的电流并将输出电压稳定在0.9V。设某一时刻负载电路的工作模式变化，需要从MP1抽取更多的电流。由于VIN固定不变，MP1的VGS也是一个固定值，因此MP1的电流几乎不会发生变化，则此部分电流就只能从MN1的支路中来抽取，从而会导致电流I1的下降，进而导致输出电压VOUT的下降。意味着单独使用共源放大器输出级来驱动负载电路时，一旦负载电流发生了变化，输出电压就无法维持恒定33因此，在具有此反馈系统的情况下，即使负载电流在工作中出现变化，VOUT也能够保持稳定。由于VOUT被反馈系统调节的方向与其本身变化的方向相反，这种反馈被称为负反馈。6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器增加一个反馈系统，形成闭合环路当电压检测电路检测到VOUT的变化时，电压调节电路能够调节VIN，进而调节MP1的电流，从而使VOUT向相反方向变化。34如图6.3-2所示的电压跟随器，假设放大器的直流电压增益为A，放大器本身输出电阻为R，输出电容为C，要求计算此电压跟随器的直流电压增益（不得使用虚短和虚断原理），以及其3dB带宽。工程问题6.3-16.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器计算：极点极点频率或3dB带宽为35工程问题6.3-1只要放大器的直流电压增益A足够大，电压跟随器的直流电压增益将会约等于1。虽然付出了直流电压增益下降的代价，但却获得了良好的增益稳定性和线性度。其3dB带宽为，是放大器自身3dB带宽的1+A倍，因此其响应速度也比开环使用放大器要快得多6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器结论：对于闭环放大器：36

作答主观题10分37讨论1：用s域法分析电路的实例式中:极点p=-1/(RC)极点在-1/(RC)38讨论1：用s域法分析电路的实例极点频率RC低通滤波电路幅值和相位会跟随频率f变化39讨论1：用s域法分析电路的实例RC低通滤波电路对输出信号的影响在频域，可以用波特图（幅频和相频响应）来描述对输出信号的影响：当输入信号的频率f>fH，输出信号的幅度将会被衰减。输出信号的相位比幅度更早发生变化，f=fH处产生的相移为45°，而最大的相移为90°。相移中的负号代表输出信号要滞后于输入信号，在时域中表现为输出信号的延时。40理想电压放大器同理：各极点之间没有相互作用讨论2：极点与结点的关联讨论2：极点与结点的关联41理想电压放大器各极点之间没有相互作用有三个实极点，每个实极点的大小等于从该结点“看进去”的总电容与从该结点“看进去”的总电阻的乘积的倒数。因此我们可以说电路中的每一个结点对传输函数贡献一个实极点！！！其大小Pi＝1/RiCi=1/τi如图电路框图，A1为理想运放，则下列说法正确的有该电路有两个极点A1输入端等效电容为Cin电路传输函数为电路传输函数为ABCD提交多选题1分43下列关于闭环放大器的说法，正确的有闭环放大器能够稳定输出电压闭环放大器能够增大带宽闭环放大器能够改善增益线性度闭环放大器能够提高增益ABCD提交多选题4分44直流电压增益下降但增益稳定性和线性度提升3dB带宽也提升6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器增加一个反馈系统，形成闭合环路负反馈6.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡45闭环放大器能够稳定输出电压，具有增大带宽、保持增益线性度等诸多优点。然而，具有输入级和输出级等两级以上的闭环放大器却有可能出现振荡的问题，即在输入信号不变的情况下出现不稳定的输出信号。贯穿项目的半成品电路电流偏置、输入级和输出级等关键部分都已经设计完毕，且VFB连接到了放大器的负输入端，构成了一个闭环放大器。46其瞬态仿真的结果如图6.3-4所示，可以看到在输入信号已经稳定的情况下，放大器的输出电压出现了振荡的情况。放大器的振荡波形造成这种现象的原因是什么呢？6.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡47当输入信号VFBI通过此环路时由于环路增益的存在，其幅度会被放大；由于负反馈的作用，VFBI会被此环路反相，即产生-180°的相移；如果VFBI是一个频率为f的交流信号，当其经过R1C1、R2C2后会产生最大为-180°的总相移。6.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡定性分析导致输出信号与输入信号同向且被放大。此信号会重新进入到输入端，再次经历同样的过程。如此循环往复，信号不断被放大，电路则会产生振荡。48计算图6.3-5所示电路的环路增益和极点频率，假设AMP1和AMP2的开环增益分别为A1和A2，反馈网络的增益为β。工程问题6.3-26.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡496.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡幅值相位6.3两级放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法50此频率处的环路增益大于1；此频率处RC网络产生的信号相移为-180°闭环放大器在频率f处振荡的必要条件通过环路增益的波特图来判断闭环放大器是否满足上述两个振荡的必要条件。波特图：横轴采用对数坐标，幅值经过20lg变换，以分贝（dB）为单位表示51

作答填空题6分6.3两级放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法52此频率处的环路增益大于1；此频率处RC网络产生的信号相移为-180°闭环放大器在频率f处振荡的必要条件1：-90°2：-90°F3处:增益是否大于16.3两级放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法53稳定性（STB，Stability）仿真图6.3-7环路增益的波特图的仿真结果在77MHz附近，环路的相位下降到0°，所以环路的总相移为-360°（由于环路本身是负反馈环路，相位是从180°开始下降的）此时的环路增益约为7.8dB这意味着噪声信号会被不断放大，从而产生振荡。54根据如下环路增益的波特图，判断负反馈放大器所处的状态振荡稳定无法判断ABC提交单选题2分55根据如下环路增益的波特图，判断负反馈放大器所处的状态振荡稳定无法判断ABC提交单选题2分56根据环路增益的波特图，判断负反馈放大器所处的状态作答主观题2分小结引入闭环负反馈结构，以保证输出稳定提高了增益的稳定性和线性度降低了直流增益大小提高了带宽S域法分析电路的传输函数和极点频率但引入反馈后，可能导致输出振荡闭环放大器在频率f处振荡的必要条件:此频率处的环路增益大于1；此频率处RC网络产生的信号相移为-180°波特图法，判断是否振荡STB仿真576.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡58环路增益下降到0dB处的频率fu被称为单位增益频率fu对应的相位与-180°之间的相位差被称为相位裕度通过移动极点频率（极点分裂）避免闭环放大器振荡的行为被称为频率补偿频率补偿的效果如何才能避免闭环放大器振荡呢？将第一极点频率移动到更低频处，第二极点频率移动到更高频处。59频率补偿方式之一：在放大器输出级的输入和输出端跨接一个电容CC，米勒电容利用米勒电容进行频率补偿6.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡这种电容倍增的效应被称作米勒效应，CC也被称为米勒电容。与CC单端接地的情况相比，存储的电荷的变化量变为了（1+A）倍，相当于从VIN端看到的有效电容的大小变为了（1+A）Cc606.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡极点频率f2被推向更高频图6.4-3两级闭环放大器在加入米勒电容后的等效模型极点频率f1会向低频处移动频率补偿的效果616.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡选择多大的补偿电容才能保证闭环放大器的稳定呢？补偿电容的设计主要包括以下两个步骤：选定一个任意的初始电容值，例如100fF，仿真放大器的相位裕度；如果相位裕度小于45°，即可适当增大电容，反之则可以适当减小电容。比较通用的标准是要保证在所有PVT条件下，最小的相位裕度要大于45°。626.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡贯穿项目的半成品电路在加入了5pF米勒电容后的波特图环路增益的幅值为0dB时，相位裕度约为94°636.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡贯穿项目的半成品电路在加入了米勒电容后的瞬态仿真结果6.4神奇的米勒电容6.4.2共源共栅频率补偿64（a）米勒电容频率补偿

（b）共源共栅频率补偿

两种频率补偿方式的异同点？65共源共栅频率补偿：补偿电容Cc的一端连接在折叠式共源共栅放大器的共栅级输入端MNC1源端的输入阻抗较小（约为1/gm），信号可以从VOUT顺畅地经过CC和MNC1的源漏极，最终反馈到MP2的栅极，这与米勒电容补偿中的反馈通路P1几乎没有什么差别，因此CC依然可以起到极点分裂的效果。（b）共源共栅频率补偿

共栅极可屏蔽漏极的变化，信号从MNC1的漏极传递到源极大幅衰减，可以忽略前馈通路P2的影响采用同样大小的补偿电容的情况下，共源共栅频率补偿通常会比米勒电容补偿获得更大的相位裕度6.4神奇的米勒电容6.4.2共源共栅频率补偿6.5放大器输出级DC仿真66共源放大器输出级DC仿真验证项目6.5放大器输出级DC仿真671.在EDA软件中绘制共源放大器输出级的电路图并搭建DC仿真环境。共源放大器输出级的电路图及DC仿真环境6.5放大器输出级DC仿真68器件参数6.5放大器输出级DC仿真692.配置仿真模式为DC模式。3.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6.5-3所示。输出参数的名称以及计算公式6.5放大器输出级DC仿真70仿真模型设置窗口配置完毕后的ADEL界面71三种输出级的特性比较如表6.6-1所示。三种输出级的特性比较6.6本章总结6.6本章总结72电流源负载共源放大器输出级的设计步骤如下：1.根据静态电流设计共源放大器电流源负载部分；2.根据前一级输出范围和本级MOS管饱和条件给MOS管最大电流值选取合适的过驱动电压，计算W/L；3.计算MOS管最小电流时的过驱动电压；4.验证3.条件下的输入电压是否位于前一级的输出电压范围内；5.采用工艺允许的最小L值，计算出MOS管的W。闭环放大器在满足下列两个条件时会发生振荡：频率f处的环路增益大于1；频率f处RC网络产生的信号相移为-180°。采用米勒电容进行频率补偿，会产生极点分裂的效果，从而改善闭环放大器稳定性。如果输出级采用了共源共栅结构，建议采用共源共栅的频率补偿方式。作业本章练习6、9、11、15、16雨课堂发布73第7章放大器的工程分析与设计主讲：74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75【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76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77（1）（2）（3）实验七、八7.1预备知识7.1.1理想放大器特征78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79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80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81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82（c）对数运算电路（d）积分运算电路827.2贯穿项目放大器特征分析8384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857.2.1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86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877.2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？887.2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89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90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？91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92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：937.2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：94

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957.2贯穿项目放大器特征分析7.2.2增益与速度9696

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9797

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9898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99997.3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100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101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：102ISSIOUT

CC7.3贯穿项目放大器的设计7.3贯穿项目放大器的设计103

104ISSIOUT

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105

106ISSIOUT

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107

108ISSIOUT

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109

110ISSIOUTCC

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111

112ISSIOUTCC50/11700/1=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113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。1147.4贯穿项目放大器的仿真7.4.1放大器的DC仿真1157.4贯穿项目放大器的仿真7.4.1放大器的DC仿真116STB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1171.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1182.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1193.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1204.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121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1222.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。1233.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1245.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125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。126

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127

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128

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129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130

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131

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。132

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133

134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135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136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器件，它们的连接状态有永久关断、短接或悬空等，其状态的选择以不影响电路正常工作为准

实际上，不仅仅局限于版图设计阶段，器件的匹配是一项贯穿整个设计过程的考虑因素。比如在设计电路时，一旦意识到某些器件，比如输入差分对，需要良好的匹配，那么就需要提醒自己，器件的尺寸不能太小，因为尺寸越小，匹配精度就越低。另外，还要尽可能把器件个数（multiplier）设置成偶数，这样会更利于版图确定匹配方案。7.6工程优化7.6.2匹配优化137当然，并不可能做到所有器件都高度匹配。这样既不经济，也没必要，且会带来更多无意义的工作负担。我们需要在性能和面积甚至寄生等因素中权衡，来确定匹配方案。换句话说，只有当失配出现时会对电路性能产生不良影响的情况下，才需要匹配。回到我们的放大器电路上，如图7.6-2中所示，带序号的矩形框标出的器件是需要进行匹配的。其中，MOS匹配要求①>②和⑥>④>⑤>③。7.6工程优化7.6.2匹配优化138输入差分对①匹配要求最高，我们选用共质心匹配方式，将MINP和MINN摆放成2排，每排顺序分别为ABBA和BAAB，且外围加dummy器件。除此以外，MINP和MINN的栅端走线也要尽量保证对称,这样才能保证MINP和MINN在版图中所处的“环境"相同。差分对匹配示例如图7.6-3所示。7.6工程优化7.6.2匹配优化139

④和⑤为电流镜，也需要共质心匹配，可以参照前面MOS器件的匹配自行决定匹配方式，这里不做赘述。7.6工程优化7.6.3面积优化140141请描述一个典型的放大器版图设计过程。解释在放大器版图设计中，为什么布局及其对称性是至关重要的？作答主观题10分本章小结142第8章

低压差线性稳压器简介与设计主讲：1438.1预备知识 8.1.1LDO基本结构与工作原理8.1.2LDO基本模块简介 8.2LDO性能指标8.2.1最低压差8.2.2静态电流与转换效率8.2.3线性调整率8.2.4负载调整率8.2.5瞬态响应8.3LDO的工程设计8.3.1gm/ID设计法 8.3.2简单LDO设计 8.4LDO的仿真与优化8.4.1DC仿真及参数调整 8.4.2STB仿真及优化8.4.3TRAN仿真及结果分析8.5本章总结144主要内容学习目标【目标8-1】了解低压差线性稳压器的基本原理【目标1-2】了解低压差线性稳压器相关的性能指标和影响因素【目标1-3】掌握gm/ID法，并将之用于设计LDO的误差放大器完成基于本书贯穿项目放大器的低压差线性稳压器设计与仿真，通过对现有设计的问题分析，了解改进设计的思路和方法。

145任务驱动

146知识图谱8.1.1LDO基本结构与工作原理包括基准电路、误差放大器电路（EA，ErrorAmplifier）、功率管和负反馈网络。1478.1预备知识LDO的基本原理实质上是一个电压串联负反馈电路，利用反馈网络来调节输出电压，使其稳定在预设值。表示输入电压和输出电压之间的差值148误差放大器电路8.1.2LDO基本模块简介8.1预备知识在LDO系统中主要负责提供增益。功率管

根据误差放大器的输出信号来调控自身的工作状态，改变其输出电流的大小，从而实现对输出电压的调节。

负反馈网络LDO的负反馈采样是通过电压串联的反馈电阻网络实现。149工程问题8.1-1：假设希望LDO的最低压差能达到200mV，且PMOS功率管需要能提供高达500mA的最大电流以满足负载需求。若功率管一直工作在饱和区会存在什么问题？

8.1预备知识150工程问题8.1-1：功率管的漏源电压差的最小值需要达到200mV。根据饱和区电流公式，功率管的宽长比(W/L)需要满足以下特定条件：

8.1预备知识假设允许功率管进入线性区，并且假设驱动功率管的误差放大器采用了贯穿项目中的折叠共源共栅放大结构。如果误差放大器的最低输出电压设定为400mV，那么，功率管的宽长比需要符合下述特定要求：

在设计功率管时，其比例可以设置在66~313K之间。小尺寸可以让功率管的栅极寄生电容减小以提高系统稳定性。在负载需求、提升效率和保持稳定性之间找到一个平衡点，实现更优的系统性能。

8.2.1最低压差1518.2LDO性能指标VDD

<VOFF

LDO进入关断区。功率管的栅源电压会低于阈值电压，输出电压VOUT一直保持零，此时电路不在工作状态。当VDD>

VDD,MIN

LDO的输出电压VOUT

将不再随VDD的增加而上升，此时电路已经进入正常工作状态。

最低压差指的是LDO正常工作时所需最低输入电压和目标输出电压之差，其定义为:

152工程问题8.2-1：假设采用PMOS功率管，且管子处于饱和区，分析LDO的最低压差。若功率管处于深线性区，LDO的最低压差又等于多少？

8.2LDO性能指标153工程问题8.2-1：

8.2LDO性能指标假设功率管处于饱和区，则功率管漏源电压要大于VGS-VTH，根据饱和区电流公式，LDO的最低压差：

若功率管处于深线性区，根据MOS管电压电流关系可得：

无论功率管处于何种工作状态，都希望能降低压差。实现这一目标的方法是提高功率管的宽长比，但这将导致功率管面积的大幅增加。功率管面积的增大会引发栅端寄生电容的增加，当负载瞬时变动时，栅极需要更大的充放电电流，因此，增大功率管面积会对瞬态响应特性产生不利影响。压差设计必须在各项指标和承载负载类型之间取得平衡。

8.2.2静态电流与转换效率1548.2LDO性能指标静态电流可以理解为电源总电流减去负载电流之后，剩余流向地端的电流。

LDO的转换效率是指LDO电路将输入电源电压转换为输出电压时的效率。通常由输出功率（负载电流乘以输出电压）与输入功率（输入电流乘以输入电压）的比值表示:

155工程问题8.2-2：假设LDO的静态电流为50μA，同时，它需要能提供高达500mA的最大电流，输入的电源电压为3.3V，输出电压为1.8V，分析不同负载条件下的转换效率?

8.2LDO性能指标156工程问题8.2-2：8.2LDO性能指标空载时，负载电阻可以看成无穷大，

lOUT

电流为0，代入转换效率公式：

当lOUT电流也为50μA时，转换效率为：

对于大部分时间处于空闲或轻负载状态的设备而言，如果在这些时刻静态电流较大且压差相对较高，则其电流使用效率通常较低。为了提升设备的整体性能和待机时间，有必要优化LDO的设计，以减少静态电流并提高能量转换效率。

当lOUT电流为500mA时，转换效率为：

在满载状态下，稳压器的输出电流通常远大于静态电流，因此这时电流使用效率比较高，但是也只略高于50%，主要原因是输入和输出之间的压差较大。8.2.3线性调整率1578.2LDO性能指标LDO的线性调整率（LNR，Lineregulation）是指在输入电源电压VDD变化时，输出电压稳定性的指标，体现出LDO对于输入电压波动的抗干扰能力。

低频环路增益越高，输出电压受输入电压变化影响越小，线性调整率越小。

在设计过程中，应尽力降低线性调整率，以确保输出电压的稳定性。

8.2.4负载调整率1588.2LDO性能指标负载调整率（LDR，Loadregulation）是一个衡量电源或稳压器输出电压随着负载电流变化的能力的指标，反映出LDO

对于负载电流变化的抗干扰能力。

8.2.5瞬态响应1598.2LDO性能指标描述LDO对于负载电流突变的反应能力。当负载电流快速变化时，瞬态响应的目标是尽快地使输出电压恢复到预设定值，以保持稳定的输出电压。

负载瞬态响应时间主要受环路带宽和差分放大器的转换速率约束。

瞬态响应注重在负载电流突变时LDO的动态性能，其目标是使输出电压在最短的时间内恢复到设定值。

而负载调整率则更加关注在负载电流变化情况下，LDO的静态（即长期或平均）表现，如图中间部分所示的电压下降情况。将晶体管的跨导与漏极电流之比视作一个统一的指标，gm/ID

被视为反映能效的重要参数，这个比值揭示了晶体管在单位电流消耗下所达到的跨导。假设漏极电流服从平方律，可得：那是否gm/ID越大越好呢？

1608.3LDO的工程设计8.3.1gm/ID设计法

考虑截止频率（fT）此值和过驱动电压成反比例。

截止频率和过驱动电压正相关。

如图，随着gm/ID的增大，截止频率将降低。gm/ID比值的灵活性和实用性

并不需要精确地了解过驱动电压值。即使漏极电流不再符合平方律，也不会影响使用此比值。设计思路

161较大的k值，更高的能效，降低放大器的等效输入噪声；较小的k值，优良频率性能，作为电流源的晶体管降低噪声。

8.3LDO的工程设计选定特定的值：

gm/ID在特定gm/ID下找到对应的横坐标值，即VGS，随后找出相同VGS值对应的ID/W

值（y轴的数值），计算出晶体管的宽度W：应该选择哪一个L

进行扫描绘制曲线?扫描并分析不同L值gm/ID与gmrO之间的关系，根据直流增益的具体需求来选取最佳的L值。

8.3.1gm/ID设计法

162

8.3.1gm/ID设计法设计思路对比从曲线上读取所需的晶体管尺寸，免去了传统的依赖MOS管电压电流关系式的计算步骤，同时也不必考虑平方律公式是否准确。8.3LDO的工程设计163工程问题8.3-1：如何采用gm/ID方法设计如图所示的带电流源负载的共源放大器？假设负载电容为1pF。假设L=4μm，设计放大器使它的增益带宽积超过10MHz。仿真验证此时的增益为多少，如果要增加增益，需要如何修改设计参数？

8.3LDO的工程设计164工程问题8.3-1：为了留有裕度，扩大CL

为1.3pF，根据增益带宽积估计公式:

8.3LDO的工程设计

考虑到M1

和M2

作为放大器的输入管，gm1/ID1

取16ID1=5.1μA,I0

=10.2μA

纵坐标上定位到gm1/ID1=

16所需的ID1/W=1.339值

，W≈3.8m=4，因此，M1和M2的m

也为4。

M3

和M4作为放大器的负载管，|gm3/ID3|取8即所需的|ID1/W|=2.542值，因此，W≈2.0。

gm1

=81.6μSgm1/ID1=

1642.7442.74gm3/ID3=

-858.5458.541658.3.2简单LDO设计设计一个基于两级放大器架构的低压差线性稳压器8.3LDO的工程设计LDO设计规格（spec）LDO验证计划

1668.3.2简单LDO设计8.3LDO的工程设计采用gm/ID方法，完成尺寸参数的设定

（1）初定CC：从规格说明得到CL，为了留有裕量，在设计初期放大1.3倍。设CL=1.3nF。同时由于贯穿项目折叠放大器的补偿方式具有较好的极点分离效果，CC可以设为~0.002CL

，暂时选取0.002CL≈2.6pF。

（2）初定gm,MINN/ISS

：从规格说明得到增益带宽积，求gm,MINN=2πCCGBW。由于MINN管作为放大输入管，设置|gm/ID|=16，算出ID=1μA

8.3.2简单LDO设计8.3LDO的工程设计（3）初定MINN、MINP的尺寸：考虑到MINP和MINN形成输入差分对，且在整个电路设计中对它们的匹配性有极高的要求，因此选用的栅长L

不宜太小。此外，较大的L

有助于获得更高的增益。在此选择了L

=1μm对应的曲线进行分析。

gm,MINN/Im,MINN

=

-16167图8.3-9纵坐标上定位到预先设定的值16，从选定的曲线中找相应的横坐标值。在图8.3-10上定位相同的横坐标值。此时纵标的值就是所需要的IMINN/W值。最终，选定W

=0.53μm，L

=1μm，m=4，这意味着MINP和MINN的等效宽长比为(W

×m)L/≈2/1。

8.3.2简单LDO设计8.3LDO的工程设计（4）初定电流镜管MN1，MN2，MN3

和MN4

的尺寸：在电路设计中，通常比值k

的选择范围是在4至20之间。在本例中，选择k

等于8。此时选择L

=3μm。同时，设置了m=2，可以参考图中的曲线来确定MN1、MN2、MN3

和MN4

晶体管的宽度。

k=

8168注意，MN1

和MN2主要用于为差分放大器提供适当的偏置电压，并不直接参与放大过程。因此，这两个晶体管的电流可以设置得相对较小。然而，在这里，由于各个分支电路的电流需求并不大，将所有分支的电流统一设置为2μA。最终，初定的参数为W

=0.53μm，L

=3μm，m

=2。

8.3.2简单LDO设计8.3LDO的工程设计（5）初定电流镜管MN1，MN2，MN3

和MN4尺寸：MP1

和MP2构成PMOS电流镜，而MP3

和MP4

作为PMOS电流镜的负载。选择L

=4μm，选择k

等于8，同样从对应曲线中找出纵坐标的值y，即IMP1/W

的值。

（6）初定MNC1，MNC2，MNC3

和MNC4

的尺寸：这些管子为cascode管，出于节省芯片面积的考虑，沟道长度L

不需要过大，设定L

=300nm。然而，为了方便版图匹配和摆放，将W

设定为与MN1~MN4相同的尺寸。

（7）初定MPDRV尺寸：采用参数扫描的办法，增强驱动能力和面积最小化为设计考虑重点。当负载为10mA，即RL=120Ω时，对MPDRV的要求最高，如果仿真发现VOUT

明显偏低，说明MPDRV的驱动能力不足，需要增加尺寸。根据扫描结果取W

=4μm，L=0.3μm，m

=60。

（8）

R1

和R2

共同组成反馈电路。

对于成比例的电阻，推荐使用串联不同个数的单位电阻来实现这两个电阻取值，这里选取W

=2μm，L1

=40μm，L2

=40μm。同时，电阻R1，R2

的segment设为1和2。

169

8.4.1DC仿真及参数调整8.4LDO的仿真与优化170DC仿真的主要目的是为了确认所有器件的工作点是否正常，同时也能监测电路的静态电流。仿真结果显示，当负载条件设定为10mA时，即RL

为120Ω，输出电压VOUT

存在显著偏低的现象。这是由于主驱动晶体管MPDRV的驱动能力不足所致。提高m

值从10增加到60可解决。corner仿真，目标在于验证电路是否可以在所有工艺角(corner)、完整的温度范围和电源电压变化下正常运作。

8.4.2STB仿真及优化8.4LDO的仿真与优化171环路稳定性主要是通过环路增益和相位裕度的波特图来进行判断。

断点设置，在分压电阻反馈端到负反馈输入端之间设置一个断点。设置仿真为STB。设置完成后即可进行STB仿真。

当CC

的取值（尺寸）为W=10μm，

L=12.5μm时，得到了频率响应曲线。8.4.2STB仿真及优化8.4LDO的仿真与优化172确认了TT条件下，环境温度为25˚C时稳定性仿真的结果显示一切正常后，对电路进行综合的corner仿真分析。

低压差线性稳压器涉及多个极点，且主环路由多级放大器级联组成，若LDO负载电阻存在较大变化范围，则可能导致输出极点在宽广的频率范围内移动；此外，由于LDO的供电电压、工作温度以及制造工艺误差等因素，放大器的直流工作点也可能产生偏移。

8.4.3TRAN仿真及结果分析8.4LDO的仿真与优化173TRAN仿真，关注在启动、负载变化、电源电压变化和关闭这些过程中的表现。

电源上电

参考电压接入

偏置电流接入用V3

作为参考电压接入，电路上电过程中，要避免输出电压过冲。vpwl(即V2)作为电源VDD

的电压激励。

整个启动过程都未发现有输出电压过冲，而且电压上升到稳定用时较为合理。8.4.3TRAN仿真及结果分析8.4LDO的仿真与优化174观察负载变化和电源电压变化造成的输出瞬态响应。在VOUT端接上一个初始电流为0的ipwl。在输出电压稳定后的某个时间点（如50µs）使其下抽10mA的电流（电流从0到10mA变化时间为1µs），并在之后的另一个时间点（如60µs）关闭此电流（电流从10mA到0变化时间为1µs）。

8.4.3TRAN仿真及结果分析8.4LDO的仿真与优化175设置完成后即可开始TRAN仿真。当负载电流从0跳变至10mA时，VOUT会发生凹陷；当负载电流从10mA跳回0时，VOUT

有凸起。负载瞬态响应分别为-6%和6%。

如何在极短的时间内对输出做出快速响应并稳定电压？可以通过使用高转换速率的误差放大器来快速充放功率管的寄生电容，能立即调整到基极节点电压预期值，并做出相应的负载瞬态变化反应。但会增大系统的能耗。采用动态偏置，感知负载电流或输出电压的变化，对LDO进行自适应偏置。优点是可以在负载瞬态变化状态下增大LDO的偏置电流，从而提高系统的带宽。采用功率管基极的压摆率提升电路，能迅速检测到负载的响应尖峰并独立地执行动作。

8.4.3TRAN仿真及结果分析8.4LDO的仿真与优化176电源电压变化瞬态响应

观察70µs、80µs、90µs和100µs这几个时间点的TRAN仿真结果来检验电路的电源电压的瞬态响应。这些数据可以通过（偏离值/稳定值）x100%计算出电源电压的瞬态响应。

低压差线性稳压器的主要构成部分包括基准电路、误差放大器电路、功率管以及负反馈网络。静态电流是指电源电流减去负载电流后，剩下流入地端的电流。线性调整率用于描述输入电压在规定范围内变化时，输出电压变化的程度。这个参数反映了低压差线性稳压器对输入电压波动的抑制能力。负载调整率则是当负载电流发生变化时，输出电压变化的程度。确定特定的gm/ID值后，可以在这个条件下找