OPA设计详细文档.docx

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OPA设计详细文档

OPAMP设计详细文档..............................................................................................................4

1.引言:

................................................................................................................................4

2.电路功能描述：

..............................................................................................................5

2.1运放的设计指标要求...................................................................................................5

2.2要求输出的仿真结果...................................................................................................6

3.电路整体结构..................................................................................................................6

3.1电路整体结构的选取...................................................................................................7

3.1.1输入差分跨导级结构的选择................................................................................7

3.1.2输出级结构的选择................................................................................................7

3.1.3补偿电路................................................................................................................7

3.1.4偏置电路................................................................................................................8

3.2电路符号图（Symbol）...................................................................................................8

4.电路工作原理和子电路详细设计..................................................................................9

4.1电路工作原理.................................................................................................................9

4.1.1单端输出的Foldedcascode结构的输入级...........................................................9

4.1.2共源放大结构的输出级........................................................................................9Fig7电流源负载共源输出级.....................................................................................10

4.1.3电路的频率特性和补偿方案..............................................................................10

4.1.3.1负反馈电路稳定的条件...................................................................................10

4.1.3.2相位裕度和开环频率特性...............................................................................10

4.1.3.3运放的零极点分布和Miller阻容补偿方法.......................................................10

4.1.4偏置电路................................................................................................................11

4.1.4.1电流偏置.............................................................................................................11

4.1.4.2电压偏置.............................................................................................................11

4.2子电路详细设计...........................................................................................................12

5.电路仿真........................................................................................................................15

5.1电路仿真方案...............................................................................................................15

5.1.1直流参数仿真........................................................................................................15

5.1.1.1输入失调电压（Vos）及其温度特性的仿真...............................................15

5.1.1.2共模电压输入范围（inputcommom-moderange）的仿真...........................16

5.1.1.3输出动态范围（outputswing）的仿真......................................................16

5.1.2交流参数仿真........................................................................................................17

5.1.2.1开环增益（openloopgain）、增益带宽积（GBW）、相位裕度（phasemargin）、增益裕度（gainmargin）的仿真..................................................................................17

5.1.2.2闭环频率特性仿真.........................................................................................18

5.1.2.3共模抑制比（CMRR）的仿真.....................................................................19

5.1.2.4电源电压抑制比（PSRR）的仿真...............................................................19

5.1.2.5输出阻抗分析.................................................................................................20

5.1.3瞬态参数仿真........................................................................................................21

5.1.3.1转换速率（slewrate）、建立时间（setuptime）的仿真............................21

5.1.3.2总谐波失真（THD）分析..................................................................................22

5.2仿真结果.......................................................................................................................23

5.2.1参数测试结果列表................................................................................................23

5.2.2部分仿真曲线图....................................................................................................24

6.开发环境（工具及其版本、厂家、库等）................................................................27

7.参考资料........................................................................................................................28

表目录：

表一：

缩略语清单表二：

运放设计指标要求表表三：

运放设计仿真结果表表四：

不同闭环增益下的测试结果表五：

原理图中所有管子的宽长比

图目录：

Fig1Opamp整体结构

Fig2电路采用的cascode结构Fig3电流源负载的共源级Fig4偏置电路整体图Fig5电路单元符号图Fig6Opamp的整体原理图Fig7电流源负载共源输出级Fig8负反馈系统框图Fig9自电压偏置电路Fig10输入失调电压仿真原理图Fig11共模电压输入范围仿真原理图Fig12输出动态范围仿真原理图Fig13开环参数仿真原理图Fig14闭环特性仿真原理图Fig15共模抑制比仿真原理图Fig16电源电压抑制比仿真原理图Fig17输出阻抗仿真原理图Fig18转换速率与建立时间仿真原理图Fig19总谐波失真仿真原理图Fig20系统输入失调电压VS温度特性曲线Fig21平均温度系数的计算Fig22闭环带宽幅频曲线图Fig23运放开环的幅频、相频曲线Fig24输出阻抗随频率变化的曲线图Fig25共模抑制比的幅频曲线图

OPAMP设计详细文档

1.引言:

运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合系统中的一个非常重要的组成部分，已经成为模拟电路设计中的一种最通用和最重要的集成块。

在经过前一段时间理论知识的学习后，进行OPAMP设计既是对自己学习成果的考察，也是锻炼我们对所学知识的运用能力的重要方式。

关键词：

宽长比（W

摘要：

本文详细介绍了OPA项目设计的指标要求以及根据指标选择电路结构的步骤，分析了电路各部分的工作原理，给出了根据SPEC计算电路各管子宽长比的计算方法，并总结了在实际调试中，为满足SPEC要求，对各管子参数进行修改的过程和效果，最后将电路的仿真结果和SPEC做了比较。

表一：

缩略语清单

缩略语

英文全名

中文解释

CMRR

CommonModeRejectionRatio

共模抑制比

PSRR

PowerSupplyRejectionRatio

电源电压抑制比

SR

SlewRate

转换速率

TS

SetupTime

建立时间

THD

TotalHarmonicDistortion

总谐波失真

OPA

OperationalAmplifier

运算放大器

CMIR

CommonModeInputRange

共模输入范围

PM

PhaseMargin

相位裕度

VOS

Voltageoffset

失调电压

UMC

UnitedMicroelectronicsCompany

台联电公司

2.电路功能描述：

设计的放大器采用3.3V电源电压的0.35µmCMOS工艺，cascode结构的两级运算放大器，并用Miller方法进行补偿。

2.1运放的设计指标要求运放设计指标:

如不作特殊说明，以下指标的仿真条件为：

Ta=55℃，Vdd=3.3V±5%，RL=10Kohm，CL=3pf，Gain=1，工作温度范围：

-10~85℃，选用chrt0.35u、3.3V、CMOS工艺。

表二：

运放设计指标要求表

L）、跨导（GM）、开环增益（Aol）、增益带宽积（GBW）、幅频特性、相位裕度（PM）、共模抑制比（CMRR）、电源电压抑制比（PSRR）、转换速率（SR）、建立时间（ST）

参数名

符号

测试条件

规范值

单位

最小

典型

最大

直流开环增益

Aol

>90

dB

增益带宽积

GBW

smallsignal

>60

MHz

闭环带宽

BWcl

gain=-1,Rf=10Kohmpeakshoot<0.5dBsmallsignal

>55

MHz

共模输入范围

CMIR

0~2.4

V

共模抑制比

CMRR

Vcm=1.65V，f=1kHz

>90

dB

输出电压摆幅

SWING

RL=100Kohm

0.3~3.0

V

转换速率

SR

gain=1,step=1.5V

>60

V/us

建立时间

TS

gain=1,step=1.5V

<120

Ns

电源电压抑制比

PSRR

Vdd=3.3V

>60

dB

系统输入失调电压

Vos

<1

mV

闭环输出电阻

Ro

gain=1,f=10KHz

<1

Ohm

电容负载驱动能力

RL=10Kohmgain=1peakovershoot<3dB

>6

Pf

总谐波失真

THD

RL=10Kohm,CL=3pfVo=1.65±1.2Vppgain=1,f=100KHz

<-75

dB

电源电流

Iss

<700

uA

2.2要求输出的仿真结果

1、给出系统输入失调电压的温度特性曲线，并求出平均温度系数；2、给出闭环带宽的幅频曲线，测试0.1dBflatness带宽和-3dB带宽（增益分别

取：

-1，-2，-3，-4）；3、给出开环的幅频、相频曲线；4、给出输出阻抗随频率变化的曲线；5、给出共模抑制比的幅频曲线；

3.电路整体结构

Fig3.1的框图给出了运放的主要部分。

CMOS运放的差分跨导级构成了运放的输入级，有时还起从双端差分输入到单端输出的变换作用。

通常，整个电路的增益，一大部分是由输入差分级提供的，它还可改善噪声性能和降低输入失调。

第二级一般采用反相器。

当差分输入级没有完成差分-单端变换时，就由第二级反相器来完成。

如果该运放需要驱动低阻负载，则在第二级后面再接一个缓冲级，以降低输出阻抗并增大输出信号摆幅。

偏置电路是用来给晶体管建立适当的静态工作点。

另外，要用补偿技术来稳定闭环特性。

Fig1Opamp整体结构

3.1电路整体结构的选取

3.1.1输入差分跨导级结构的选择

首先，设计指标中要求共模输入电压范围是0-2.4V，而采用的电源电压为0—3.3V，因此要采用PMOS管输入的cascode结构。

一级运放的直流开环增益很难超过80dB，因此规范中开环增益大于90dB决定了OPA需要采用二级增益结构；同时，3.3V的电源电压和输出摆幅决定的cascode结构的级数，这里采用二级cascode结构。

Fig2电路采用的cascode结构

3.1.2输出级结构的选择

第二级一般采用反相器结构，考虑到输出摆幅要求在

0.3-3V之间，输出可以采用电流源负载的共源级。

这种电路结构的负载上的电压不是紧随其负载阻抗变化而变化，既可以在提高M2管输出电阻的情况下保持M2管的漏源电压不变，这样就可以提高输出摆幅并调节增益。

Fig3电流源负载的共源级

3.1.3补偿电路

Miller补偿采用添加补偿电容的方法把主极点向低频移动，非主极点向高频移动来实现极点分离，从而改善运算放大器的频率特性，添加补偿电阻来减小右半平面的零点对

系统稳定性的影响。

3.1.4偏置电路

偏置电路提供电路中所用的所有偏置电压，Vb3为P2管提供偏置电流，Vb1为N0、N1管提供偏置电压，Vb2为N2、N3管提供偏置电压。

在实际电路中，为了满足匹配，偏置电路中管子的长度应该与运放中相应得管子的长度相等。

Fig4偏置电路整体图

3.2电路符号图（Symbol）

如图Fig4所示，Opamp以及测试电路中所用的各种单元的符号图都包含在内。

Fig5电路单元符号图

Fig6Opamp的整体原理图

4.电路工作原理和子电路详细设计

4.1电路工作原理

在实际中采用的运放结构中，输入信号通过第一级的差分跨导运算放大级，输入第二级高增益级，同时用Miller补偿电路来稳定闭环特性，偏置电路提供所有的偏置。

4.1.1单端输出的Foldedcascode结构的输入级

首先，由于输入共模电压范围是0-2.4V，采用的电源电压为0—3.3V，因此要采用PMOS管输入，同时在第一级电路中运用cascode结构能获得优良的噪声性能，通过增加cascode结构的输出电阻可以有效地增大整个运放的增益，同时cascode结构在共模输入、电源驱动、电源电压抑制比等性能上也有优于其它结构的方面。

4.1.2共源放大结构的输出级

Fig7所示实际采用的PMOS管输入的电流源负载共源输出级。

这种电路结构的负载上的电压不是紧随其负载阻抗变化而变化，能很好的满足输出摆幅的要求。

Fig7电流源负载共源输出级

4.1.3电路的频率特性和补偿方案

4.1.3.1负反馈电路稳定的条件

稳定系统中，增益相交必定发生在相位相交之前，即

必须在∠βH达到−180°之前下降至1。

Fig8负反馈系统框图

βH

4.1.3.2相位裕度和开环频率特性

相位裕度定义为PM=180°+∠βH（ω=ω1），当PH=60°时，反馈系统得阶跃响应出现小的减幅振荡现象，可提供快速稳定。

对于更大相位裕度，虽然系统更加稳定，但时间响应减慢了，因此，PH=60°通常是最合适的相位裕度。

常用的运放电路包含许多极点，运放必须通过补偿来修正开环传输函数，以使闭环电路稳定，并且时间响应性能良好。

4.1.3.3运放的零极点分布和Miller阻容补偿方法

对于用Miller方法补偿的二级运算放大器来说，起主要作用的零极点如下：

P1是左半平面主极点，也称为Miller极点，用来实现所需要的补偿，从直观上看，它是由补偿电容产生的。

P2是输出极点，它至少等于GBW，主要取决于Opamp输出处的负载电容。

Z1是右半平面的零点，它在增加环路增益的同时增加了负相变，增大了系统的不稳定性，零点来源从输入到输出的两条不同的信号通路。

通过上面的式子能得出单位增益带宽：

4.1.4偏置电路

4.1.4.1电流偏置

如Fig4所示，一个外部10µA的主电流参考源，通过电流镜镜像为电路提供各种各样的电流源偏置。

Vb3为P2和P10管提供偏置电流。

一个内部Cascode结构（N6、N7）为N0、N1、N2、N3提供偏置。

4.1.4.2电压偏置

第一级中Cascode结构（P3、P4、P5、P6）的偏置是由电压自偏置来实现的。

Fig9自电压偏置电路

4.2子电路详细设计

4.2.1选择最小器件长度设计的运放采用3.3V电源电压的0.35µmCMOS工艺，由此，器件的最小长度是

0.35µm。

4.2.2选择补偿电容

对于一个两极点、一右半平面零点的系统，如果它的零点在10倍的单位增益带宽之外，那么要得到60°的相位裕度，第二个极点必须在2.2倍的单位增益带宽之外。

即：

gg

mΙΙmΙ

Z1=>10G