CMOS运放的优化设计

CMOS运放的优化设计 1-g(R4+】 共源级传递函数H(s)= sC gR1+(尽+sC风+R+ 零点：0= (1-Rau)Ce gm6 1 主极点 0p1- Ro(1+8m6R02)C 第二极点 0p2 =8ms CL 单位增益带宽 ARoko Ro(1+gmRo2)Ce eg3 Roo RogC.C。 1 =8m 3.等效输入噪声： 因为差分级有较高的增益，所以第二级所产生的等效 输入噪声可忽略，差分级产生的等效输入噪声包括热噪声和1/f噪声[1] W S2= 16kT 4n()3 -[1+ 2Kp0+ KBL W W Ca(WL)f 32uC(! 4.静态功耗： P=(VDD-Vss)(Is +1+Is+1) 5.失调电压： 需保证M3,M4,M6电流密度相等，根据平衡公式有 L3=L4=L6 [2] WW。2WW。 6.偏置电路： 山根据电流电压公式，取（学加=4艺。，可得出风，= gml3 7.共模抑制比： 6

CMOS 运放的优化设计 6 共源级传递函数 ) 1 )( 1 1 ( )] 1 [1 ( ( ) 01 14 02 6 01 6 14 c m L on c m on sC sC R R R g R sC g R H s + + + + + − + = 零点： on c m z R C g ) 1 ( 1 14 6 − ω = 主极点 m c p R (1 g R )C 1 01 6 02 1 + ω = 第二极点 L m p C g 6 ω 2 = 单位增益带宽 1 1 6 01 02 01 6 02 1 (1 ) u v p mm m c A g g RR R gRC ω ω =× = + 1 1 6 01 02 01 6 02 1 m m m m cc g g g RR R g RC C ≈ = 3．等效输入噪声： 因为差分级有较高的增益，所以第二级所产生的等效 输入噪声可忽略，差分级产生的等效输入噪声包括热噪声和 1/f 噪声[1] [1 ] ( ) 2 ] ( ) ( ) [1 3 2 ( ) 16 2 3 2 1 1 1 3 1 1 2 K L K L C WL f K L W L W I L W C kT S p p n n ox p p n p ox n µ µ µ µ µ = + + + 4．静态功耗： ) ( )( 8 9 5 7 P V V I I I I = DD − SS + + + 5．失调电压： 需保证 M3,M4,M6 电流密度相等，根据平衡公式有 6 6 3 5 6 6 3 3 3 4 6 2 W I W I W I W I L L L = ⇒ = = = [2] 6．偏置电路： [1]根据电流电压公式，取 12 13 ( ) 4( ) L W L W = ，可得出 13 1 m B g R = 7．共模抑制比：

CMOS运放的优化设计 差分级的差模增益 4a=8m1 82+804 共模增益4.=1+2gn10s8 1 ml≈8o5 2gm3 所以，CMRR= 2gm18m3一= WW (g2+84)gos(2n+,)2nV u,Mp LLIs 8.负电源抑制比[2：NPSRR=,28m8a6= ACo WW。 (8m+84)86(n+元n)2nY H,Hp LLol。 9.转换速率： SR=minh,。。} C。'C.+C §2.3手工计算几何参数 1.确定补偿电容值 为保证运放有60度的相位裕量，要求系统的零点⊙.和第二极点满足以下条件： 0.≥100，→8m2≥108l Ce 0p2≥20，→8m2≥28m C C C.20.2C=0.6p,取C.=1.5p 2.确定直流电流 根据静态功耗不超过2uW的要求，总电流不超过400uA。根据slew rate 的决定条件， L3≥SR×C.=30×106×1.5×10-12=454 16=I2≥SR×(C.+C)=30×10×4.5×10-12=1354 于是，大致按照以上比例分配运放两级的电流：偏置电路10uA;差分级 80uA;第二级280uA 3.等效输入噪声： 粗略计算后发现热噪声的数量级远小于1/f噪声，所以后者可忽略不计。 取L=1u,L=4u

CMOS 运放的优化设计 7 差分级的差模增益 1 02 04 m Vd g A g g = + 共模增益 3 05 3 1 1 05 1 2 2 1 m m m m Vc g g g g g r A ≈ + = 所以， 1 3 13 2 02 04 05 1 3 5 2 4 ( )( ) m m ox n p n pp g g C WW CMRR g g g LLI µ µ λ λλ = = + + 8．负电源抑制比[2]： 1 6 16 02 04 06 1 6 1 6 2 4 ( )( ) m m ox n p n pn g g C WW NPSRR g g g LL I I µ µ λ λλ = = + + 9．转换速率： min{ , } 5 7 c Cc CL I C I SR + = §2.3 手工计算几何参数 1. 确定补偿电容值. 为保证运放有60度的相位裕量,要求系统的零点ωz 和第二极点满足以下条件: 12 1 12 1 2 10 10 2 2 m m z u c c m m p u L c g g C C g g C C ω ω ω ω ⎧ ≥⇒≥ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ≥⇒ ≥ ⎪⎩ 0.2 C C c L ≥ ＝0.6p ,取Cc =1.5p 2．确定直流电流 根据静态功耗不超过 2uW 的要求，总电流不超过 400uA 。根据 slew rate 的决定条件， 6 12 5 30 10 1.5 10 45 c I SR C uA − ≥ ×=× ×× = 6 12 6 7 ( ) 30 10 4.5 10 135 c L I I SR C C uA − =≥ × + =× × × = 于是，大致按照以上比例分配运放两级的电流：偏置电路 10uA ；差分级 80uA ；第二级 280uA 3． 等效输入噪声： 粗略计算后发现热噪声的数量级远小于 1/f 噪声，所以后者可忽略不计。 取 L1 =1u ， L3 =4u

CMOS运放的优化设计 平均噪声Sn= 2Kp [1+ KoHoLi C(W)f'Kp“,L 将噪声以300nV/us代入，f取1K,求得W1≥36u。 4.带宽和极点 根据单位增益带宽度要求，gm1=0.·C。=376u,考虑一定余量，取gm1=400u 8=58，取L=1u，所=60u 21upCos 要使相位裕度达到最大，则”2=3 另， 0p2=8→86=0p2×C2=2π×40×3x106×3x10-2=226x10-3 C 根据86=21u.C(。求得（巴。=8 取L。=1u,W。=90u 5.失调 根据 -女- =12.8,取L4=L=4u，W4=W=50u 6.动态范围 要求输出0V到4.5V变化，所以在这个范围内，M5,M7均在饱和区， 则将这两个管的过驱动电压定为0.5V,取L5=L7=0.8u 21 (2=受2=0，取5=u,属-加 7.偏置电路

CMOS 运放的优化设计 8 平均噪声 [1 ] ( ) 2 2 3 2 1 1 K L K L C WL f K S p p n n ox p n µ µ = + 将噪声以 300nV/us 代入，f 取 1K，求得 W1≥ 36u。 4．带宽和极点 根据单位增益带宽度要求， m uc 1 g C =ω ⋅ =376u ，考虑一定余量，取 m1 g =400u 2 1 1 1 2 m p ox W g L IC µ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = ⎝ ⎠ =58 ，取 L1 =1u ，W1 =60u 要使相位裕度达到最大，则 u p ω ω 2 =3 另， 6 12 3 6 2 6 2 2 40 3 10 3 10 2.26 10 − − ω = ⇒ m = ω p × L = π × × × × × = × L m p g C C g 根据 6 6 6 2 ( ) L W g m = I µ nCox 求得 6 ( ) L W =88 取 L6 =1u ，W6 =90u 5． 失调 根据 4 4 6 4 6 W L I W W I L L ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ = ⇒ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ =12.8 ，取 L L 4 3 = =4u ，W W 4 3 = =50u 6． 动态范围 要求输出 0V 到 4.5V 变化，所以在这个范围内，M5，M7 均在饱和区， 则将这两个管的过驱动电压定为 0.5V ，取 L5=L7=0.8u 5 2 5 5 2 19.5 ( ) p ox gs thn W I L CV V µ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = = ⎝ ⎠ − ，取 L5 =1u，W5 =20u 7 5 7 5 ( ) 70 W W I L LI ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = = ⎝ ⎠ ，取 L7 =1u ，W7 =70u 7． 偏置电路 8 895 5 () () () WWW I L L LI = = =2.5

CMOS运放的优化设计 取L3=L,=1u,W=W,=2.5u 8.相位补偿 os管M14工作在线性区，作为线性电阻与Cc起到相位补偿的作用。 其线性电阻值为： 1 Ron14= W W h,Cal.Waw-aa）h,Ca(Zaa-'nai） W 1 1 .A.cwon-n） 为使电路稳定工作，可以通过控制线性电阻值，将由补偿产生的零点移至左 -1 半平面，并且使0.=1.20n,于是有 =1.28m则 1-R4)C。 Ce 1 (*) W 要求1 4=',Vm=6，则有= -→( 13=3.2 L L 则 取L3=1u，W3=3u 于是 L0=L1=L2=L3=1u,Wo=W1=W3=3u,W2=4W3=12u。 根据(*)式，计算得到： =16 取，L4=1u,W4=16u 1 1 RB= =12k gml3 W . 至此，己得到所有mos管的几何参数。如表1.1

CMOS 运放的优化设计 9 取 L L 8 9 = =1u，W W 8 9 = =2.5u 8． 相位补偿 mos 管 M14 工作在线性区，作为线性电阻与 Cc 起到相位补偿的作用。 其线性电阻值为： 11 14 11 14 11 11 11 11 14 14 14 14 11 11 14 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 m n ox gs th n ox gs th n ox gs th on g L W L W V V L W C L W L W V V L W V V C L W C R = − = − = − = µ µ µ 为使电路稳定工作，可以通过控制线性电阻值，将由补偿产生的零点移至左 半平面，并且使 1.2 ωz u = ω ，于是有 1 14 6 1 1.2 1 ( ) m c on c m g C R C g − = − ( ) 1 1 14 11 11 6 1 1 1 m 1.2 m m W W L Lg g g − − ⎛⎞ ⎛⎞ ⇒ = ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ ⎝⎠ + （*） 要求 Vgs14 =Vgs11， Vgs13 = Vgs6 ，则有 6 6 13 13 6 13 6 13 ( ) () () ( ) W I L W W I I W L LI L =⇒= =3.2 则 取 L13=1u ，W13=3u 于是 LLLL 10 11 12 13 = = = =1u ，WWW 10 11 13 = = =3u， 12 13 W W = 4 =12u 。 根据（*）式 ，计算得到： 14 W L ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ =16 取， L14 =1u， W14 =16u 13 13 13 1 1 2 () B m n ox R g W I C L µ = = =12k 至此，已得到所有 mos 管的几何参数。如表 1.1

CMOS运放的优化设计 WL计算值 Ip (uA) Ip (uA) Mos管序号 (um/um) (设计值) (仿真值) MIM2 60/1 40 37 M3 M4 50/4 40 37 M5 20/1 80 74 M6 90/1 280 278 M7 70/1 280 278 M8 2.5/1 10 9.3 M9 2.5/1 10 10.2 M10 3/1 10 9.3 M11 3/1 10 10.2 M12 12/1 10 9.3 M13 31 10 10.2 M14 16/1 0 0 表1.1各mos管的宽长比和直流电流 §2.4性能参数的理论计算值 1.静态功耗：1.9mW 2.共模输入电压范围 21 W =0.68V,为使M5饱和，V1=Vs≤4.32 所以，输入共模电压V≤V1-m=3.42V。显然，V的最小值接近0。 所以，共模输入范围是[0V,3.42V叮 3.开环增益 1 Ay =gmgm6 ,4pWW。=10274=81DB 82+g486+gm(亿n+元p)2V1l6L1L6 4.单位增益带宽 o

CMOS 运放的优化设计 10 Mos 管序号 W/L 计算值 （um/um） DI （uA） （设计值） DI （uA） （仿真值） M1 M2 60/1 40 37 M3 M4 50/4 40 37 M5 20/1 80 74 M6 90/1 280 278 M7 70/1 280 278 M8 2.5/1 10 9.3 M9 2.5/1 10 10.2 M10 3/1 10 9.3 M11 3/1 10 10.2 M12 12/1 10 9.3 M13 3/1 10 10.2 M14 16/1 0 0 表 1.1 各 mos 管的宽长比和直流电流 §2.4 性能参数的理论计算值 1．静态功耗： 1.9mW 2．共模输入电压范围 5 5 5 2 eff p ox I V W C L µ = ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ =0.68V ，为使 M5 饱和，V V s d 1 8 = ≤ 4.32 所以，输入共模电压Vic ≤ − V V s1 1 th =3.42V。显然，Vic 的最小值接近 0。 所以，共模输入范围是[0V，3.42V] 3．开环增益 1 6 1 6 1 6 2 02 04 06 07 1 6 ( ) 1 1 2 I I L L C W W g g g g A g g n p n p ox V m m µ µ λ + λ = + + = =10274=81DB 4．单位增益带宽