《通信系统混合信号$！设计》课程设计报告 2003年12月31日 作者：唐长文。营洪彦 运算放大器的的结构主要有三种：(a)简单两级运放，two-stage;(b)折叠共源共栅， folded-cascode,(c)共源共栅，telescopic。该运算放大器的设计指标要求差分输出摆幅为±4V, 即输出端的所有NMOS管的Vsr,w之和小于0.5V,输出端的所有PMOS管的'sp之和也必须 小于0.5V。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我 们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共 栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的 输入级，共源的输出级的结构，如图1所示。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，这 里Miller补偿或者Cascode补偿技术用来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1.差分直流增益Adm>80dB 该运算放大器存在两级：(1)、Cascode级增大直流增益(M1一M8):(2)、共源放大器 (M9-M12) 第一级增益 A=-Gm1R1=-gm1(8m3o1o3∥gm5a5o7）= 8m18m38m5 8ms8a18o3+8m3858o7 第二级增益 4=-GR2=-8m(olon）=-8 go9+goll 整个运算放大器的增益： 8m9—≥10'(80dB) Am=4:4=ge3n8o+go8s8oi8n+8al 8m18m38m5 2.差分压摆率≥200Vus 转换速率(Slew Rate)是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR: 。输入级R=L-2四 dt Ce Ce 单位增益带宽.=8m/Cc，可以得到Cc=8mi/o. 5R=2m=2s@=2%=y8 Cc gm 21 pst 其中'=Pcs-Ψ= ,cTh 1/ 因此，提高两级运算放大器转换速率的一种方法是尽可能增大管子M1的有效电压Vm。 ● 输出级：SR=L Icc lmax 21ps9 d Ce+CL 该个运算放大器的转换率SR=min'a,2,} Ce Ce+C 3.静态功耗：该运放没有功耗指标，这里我们以15mW为例简单分析一下。 运放的静态功耗：《通信系统混合信号 VLSI 设计》课程设计报告 2003 年 12 月 31 日 作者: 唐长文, 菅洪彦 2 运算放大器的的结构主要有三种: (a)简单两级运放，two-stage；(b)折叠共源共栅， folded-cascode; (c)共源共栅，telescopic。该运算放大器的设计指标要求差分输出摆幅为 ± 4V， 即输出端的所有 NMOS 管的VDSAT N, 之和小于 0.5V，输出端的所有 PMOS 管的VDSAT P, 之和也必须 小于 0.5V。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我 们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共 栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的 输入级，共源的输出级的结构，如图 1 所示。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，这 里 Miller 补偿或者 Cascode 补偿技术用来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1. 差分直流增益 Adm>80dB 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1－M8）；（2）、共源放大器 (M9-M12) 第一级增益 ( ) 135 1 1 1 1 313 557 513 357 // mm m m o m m oo m o o m oo m o o ggg A G R g g rr g rr g gg g gg =− =− =− + , 第二级增益 ( ) 9 2 2 2 9 9 11 9 11 // m mo m o o o o g A GR g r r g g =− =− =− + ， 整个运算放大器的增益： 135 9 4 1 2 5 1 3 3 5 7 9 11 10 (80 ) mm m m overall m oo m o o o o ggg g A A A dB g gg g gg g g =⋅ = ≥ + + 2. 差分压摆率 ≥ 200 V/us 转换速率（Slew Rate）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率 SR: z 输入级: max 1 max | 2 | out DS CC C C dv I I SR dt C C ≡ == 单位增益带宽 u mC 1 ω = g C ，可以得到C g C mu = 1 ω ∴ 11 1 1 1 1 1 22 2 2 DS DS u DS u eff u C m DS eff II I SR V C g I V ω ω == = = ω 其中 1 1 1 2 ( ) DS eff GS th p ox I V VV W C L µ = −= 因此，提高两级运算放大器转换速率的一种方法是尽可能增大管子 M1 的有效电压 Veff1。 z 输出级: max 9 max | 2 | out DS CC C CL dv I I SR dt C C C ≡ == + 该个运算放大器的转换率 13 9 2 min{ , } DS DS CCL I I SR CCC = + 3. 静态功耗: 该运放没有功耗指标，这里我们以 15mW 为例简单分析一下。 运放的静态功耗：