:p=8，六arctan()=arctan4 A.Cc P 又A~0, .arctan4,-→z .对PN有， 2 P 2 由以上讨论可以得到以下约束条件： ① s012≥102 可以推出：8m6>10gm2 P2 ② 要使得PM>45°，则P2>1.22GB ③ 要使得PM>60°，则P2>2.2GB,即8m6>2.2(82) C Ce 综合以上条件，得到：要求PM>60°，则Cc>0.22CL 五、其他约束条件： 1、转换速率SR 通常要求：SR≥SR,mim 实际上运放处理的信号通常是阶跃信号，且运放的相应不能够单纯用频 率来描述，而用S和建立时间T。来表示，这两个参数是运放瞬态相应的两 个重要参数。 S。和T,是在运放的闭环增益为1并且接成跟随器形式的条件下测得的。 定义：1)转换速率S。：当运放的闭环增益为1，阶跃大信号（但是其幅值必须 小于'cwmm)输入时输出信号'o()的最大变化速率（单位为：VIs) Sn= dvo(t) dt max 2)建立时间T：当运放的闭环增益为1，阶跃大信号输入时刻到输出幅 度达到确定的精度范围所需要的时间。从此定义中可以知道，精度越高， T,就越长
16 1 1 m V C g p A C ∵ = ， 1 arctan( ) arctan C AV p ω ∴ = 又∵ ∼ AV ∞， arctan 2 AV π ∴ → ∴对 PM 有， 4 min 2 arctan( ) 2 C i i PM p ω π = ∑ ≤ − 由以上讨论可以得到以下约束条件： ① 1 6 2 2 0.1, 10( ) m m C C p g g p C C ∵ ≤∴ ≥ 可以推出： 6 2 10 m m g g > ② 要使得 PM 45ο > ,则 2 p >1.22GB ③ 要使得 PM 60ο > ，则 2 p > 2.2GB ，即 6 2 2.2( ) m m L C g g C C > 综合以上条件，得到：要求 PM 60ο > ，则 0.22 C C C L > 。 五、其他约束条件： 1、转换速率 R S 通常要求： R R,min S S ≥ 实际上运放处理的信号通常是阶跃信号，且运放的相应不能够单纯用频 率来描述，而用 R S 和建立时间Tset 来表示，这两个参数是运放瞬态相应的两 个重要参数。 R S 和Tset 是在运放的闭环增益为 1 并且接成跟随器形式的条件下测得的。 定义：1）转换速率 R S ：当运放的闭环增益为 1，阶跃大信号（但是其幅值必须 小于VCM .min ）输入时输出信号 ( ) V t O 的最大变化速率（单位为：V s / µ ） max ( ) O R dV t S dt ∴ = 2）建立时间Tset ：当运放的闭环增益为 1，阶跃大信号输入时刻到输出幅 度达到确定的精度范围所需要的时间。从此定义中可以知道，精度越高， Tset 就越长
当大的阶跃信号输入时，运放的输出电压来不及变化，负反馈信号为0。 所以输入信号全部加在运放的输入级，因此差分放大级处于限幅状态（即进入 了非线性状态)。这时电路输出信号的变化与输入信号无关，决定于运放电路中 的C。的充电电流，即决定于S。。随着输出幅度的增大，使输入到输入级的幅 度逐渐减小。当减小到运放输入级限幅电平时，运放进入线性状态。 取最小转换速率得Sem=mim2人，。 1 Cc+CL≤ 1 因此必须满足： 211 SR.min Sg.min 2、共模抑制比CMRR Avd =gm2gm6 Ro1 Ro2 Avc 8m28m6R1R2 1+gm28m3R1'0s 根据CMRR的定义可以得到：CMRR=1+gm8mR1os≈ 8m18m3 (801+8o3)8o5 WW (n+元)mV HaHp LLls 3、电源抑制比PSRR: 定义：电源电压变化所对应的输出电压变化着算到输入端的值之比，即 1 PSRR= A avolavs avs Av 低频时，PSRR=AV。 4、噪音性能 一般要求Sn(f)?2≤S2。 M0S运放的噪声主要来自放大器的输入级，等效噪声源如图2.2-6所示。 17
17 当大的阶跃信号输入时，运放的输出电压来不及变化，负反馈信号为 0。 所以输入信号全部加在运放的输入级，因此差分放大级处于限幅状态（即进入 了非线性状态）。这时电路输出信号的变化与输入信号无关，决定于运放电路中 的CC 的充电电流，即决定于 R S 。随着输出幅度的增大，使输入到输入级的幅 度逐渐减小。当减小到运放输入级限幅电平时，运放进入线性状态。 取最小转换速率得 1 7 ,min min 2 , R C C TL I I S CC C = + 因此必须满足： 1 ,min 1 2 C I R C S ≤ ， 7 ,min C TL 1 R C C I S + ≤ 2、共模抑制比 CMRR ∵ A g g RR Vd m m = 2 6 01 02 2 6 01 02 2 3 01 05 1 m m VC m m g g RR A g g Rr = + 根据 CMRR 的定义可以得到： 1 3 1 3 01 05 01 03 05 1 ( ) m m m m g g CMRR g g R r g gg =+ ≈ + ( ) 1 3 2 1 35 ox n p n pp C WW LLI µ µ λ λλ = + 3、电源抑制比 PSRR： 定义：电源电压变化所对应的输出电压变化着算到输入端的值之比，即 1 1 / V O O S S V A PSRR V V V V A = = ∂ ∂ ∂ • ∂ 低频时，PSRR=Av。 4、噪音性能 一般要求 2 2 max ( ) in Sf S ≤ 。 MOS 运放的噪声主要来自放大器的输入级，等效噪声源如图 2.2-6 所示
IA5 H 5 华YB工A线 H3 林4 图2.2-6输入端的噪声源等效电路 图中、、，、分别为M1、M2、M3和M4输入端的噪声电压均方 值，可以分别看作独立源得： g (Va+Va)+8m (VaVa) 又2=8m 2 -+o+8o+) gml 所以，为了减小M3、M4管的噪声对放大器的影响，电路设计中应该减小gm· 对于M0S管，噪声分为两种：1/f噪声和热噪声。 1)、1/f噪声： 对单个M0S管来说，=KEY,其中，F为1了噪声系数，代 CWL f 2 入写-++8+)中得到 其中，Kn、Kp分别为MOS和PMOS的1/f噪声系数，与工艺条件密切相 关。 要减小知，则应该：①增大形×山： 8
18 图 2.2-6 输入端的噪声源等效电路 图中 2 Veq1 、 2 Veq2 、 2 Veq3 、 2 Veq4 分别为 M1、M2、M3 和 M4 输入端的噪声电压均方 值，可以分别看作独立源得： 2 22 2 2 2 2 11 2 33 4 ( )( ) o m eq eq m eq eq i gV V gV V = ++ + 又 2 22 o m eq 1 ∵i gV = 2 222 22 3 12 34 2 1 ( ) m eq eq eq eq eq m g V VV VV g =++ + 所以，为了减小 M3、M4 管的噪声对放大器的影响，电路设计中应该减小 m3 g 。 对于 MOS 管，噪声分为两种：1/ f 噪声和热噪声。 1）、1/ f 噪声： 对单个 MOS 管来说， 2 1/ f ox KF f V C WL f ∆ = ，其中，KF 为1/ f 噪声系数，代 入 2 222 22 3 12 34 2 1 ( ) m eq eq eq eq eq m g V VV VV g =++ + 中得到： 2 2 1 1/ 2 11 3 2 (1 )( ) n feq ox p Kp f Kn L V W L C Kp L f µ µ ∆ = + 其中，Kn、Kp 分别为 NMOS 和 PMOS 的1/ f 噪声系数，与工艺条件密切相 关。 要减小 2 V1/ feq ，则应该：①增大W L 1 1 × ；
②使L<L· 2)热噪声： 对单个M0S管来说，=4kT( 2)A,其中k为波尔兹曼常数。 带入噪声表达式得到： 4 (1+ .c. W Mp L 所以要减小热噪声，应该：①增大gm1(g2),即增大1，和提高所/L; ②减小W/L3,同时使得W/L3<W/L。 第三章 设计和仿真结果 本章将根据给定的运放性能指标利用一般的设计方法计算得到各变量值，并 进行验证以及软件模拟仿真。主要目的是掌握CMOS运放电路的一般设计方法。 §3.1二级CM0S运放性能指标 图3.1一1电路由两级放大器组成，M1M4构成有源负载的差分放大器，M5 提供该放大器的工作电流。M6、M7管构成共源放大电路，作为运放的输出级。 M6提供给M7的工作电流。M8和I1组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电 流。 对应于图3.1一1电路的主要参数如下表所示： 参数种类 参数值 管子长度 ≥0.35μm 管子宽度 ≥0.8m 负载电容 =3 pF 面积 ≤10000m2 共模输入电压 固定在(VDD+VSS)/2
19 ②使 L L 1 3 < 。 2）热噪声： 对单个 MOS 管来说， 2 2 4( ) 3 H m V kT f g = ∆ ，其中 k 为波尔兹曼常数。 带入噪声表达式得到： 3 2 3 1 1 1 1 4 4 (1 ) 3 2 n Heq p n ox d W L V kT f W W C I L L µ µ µ = +∆ × 所以要减小热噪声，应该：①增大 1 2 ( ) m m g g ，即增大 d I 和提高 1 1 W L/ ； ②减小 3 3 W L/ ，同时使得 33 11 WL WL / / 。 第三章 设计和仿真结果 本章将根据给定的运放性能指标利用一般的设计方法计算得到各变量值，并 进行验证以及软件模拟仿真。主要目的是掌握 CMOS 运放电路的一般设计方法。 §3.1 二级 CMOS 运放性能指标 图 3.1－1 电路由两级放大器组成，M1~M4 构成有源负载的差分放大器，M5 提供该放大器的工作电流。M6、M7 管构成共源放大电路，作为运放的输出级。 M6 提供给 M7 的工作电流。M8 和 I1 组成的偏置电路，提供整个放大器的工作电 流。 对应于图 3.1－1 电路的主要参数如下表所示： 参数种类 参数值 管子长度 ≥ 0.35 µm 管子宽度 ≥ 0.8 µm 负载电容 = 3 pF 面积 ≤ 10000 µm2 共模输入电压 固定在（VDD + VSS）/2