全差分運放的設計

1、通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 全差分運算放大器設計唐長文(011021361)，菅洪彥(021021061) HYPERLINK mailto:, HYPERLINK mailto:復旦大學專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室、設計指標在上華0.6umCMOS2P2M工藝上設計一個全差分運算放大器，設計指標如下:直流增益:80dB單位增益帶寬:50MHz負載電容:=5pF相位裕量:60增益裕量:12dB差分壓擺率:200V卩s共模電平:2.5V(VD=D5V)共模負反饋單位增益帶寬:10MHz等效輸入噪聲:20nVHz輸入失調(diào)電壓:4V二、運放

2、結(jié)構(gòu)選擇L圖1共源共柵兩級運算放大器運算放大器的的結(jié)構(gòu)主要有三種：(a)簡單兩級運放，two-stage；(b)折疊共源共柵，folded-cascode;(c)共源共柵，telescopic。該運算放大器的設計指標要求差分輸出擺幅為土4V，即輸出端的所有NMOS管的V之和小于0.5V,輸出端的所有PMOS管的V之和也必須DSAT,NDSAT,P小于0.5V。對于單級的折疊共源共柵和直接共源共柵兩種結(jié)構(gòu)，都比較難達到該要求，因此我們采用兩級運算放大器結(jié)構(gòu)。另外，簡單的兩級運放的直流增益比較小，因此我們采用共源共柵的輸入級結(jié)構(gòu)。考慮到折疊共源共柵輸入級結(jié)構(gòu)的功耗比較大，故我們選擇直接共源共柵的輸

3、入級，共源的輸出級的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。兩級運算放大器設計必須保證運放的穩(wěn)定性，這里Miller補償或者Cascode補償技術(shù)用來進行零極點補償。三、性能指標分析差分直流增益Adm80dB該運算放大器存在兩級：(1)、Cascode級增大直流增益(Ml-M8)；(2)、共源放大器(M9-M12)第一級增益A=-GR=-g(grr/grr)_m1m3m5,1m1o1m1m3o1o3m5o5o7ggg+gggm5o1o3m3o5o7第二級增益A_GR_g(r/r)_m，2m2o2m9o9o11g+go9o11整個運算放大器的增益：A=AA=曲1mmi5m9104(80B)overall12ggg+g

4、ggg+gm5o1o3m3o5o7o9o11差分壓擺率200V/usI|Cmax轉(zhuǎn)換速率(SlewRate)是大信號輸入時，電流輸出的最大驅(qū)動能力。定義轉(zhuǎn)換速率SR：TOC o 1-5 h z輸入級：SR三vou|=ccLx=dstdtmaxCCCCuSR=2ds1CC單位增益帶寬=gC，可以得到C=gm1CCm1u2121=DS1_u=DS1_u=VWg21ef1um1vdS1eff1其中Veff1V-VGSth1*Cp(因此，提高兩級運算放大器轉(zhuǎn)換速率的一種方法是盡可能增大管子M1的有效電壓Veff1。輸出級：SR三dout|=CCLax=22DS9TOC o 1-5 h zdtmaxCC

5、C+CCCLI2I該個運算放大器的轉(zhuǎn)換率SR=minds13,ds9CC+CCCL靜態(tài)功耗：該運放沒有功耗指標，這里我們以15mW為例簡單分析一下。運放的靜態(tài)功耗：通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # Pstatic=(V-V)(I+I+I)ddssDS9DS10DS13靜態(tài)功耗確定了整個電路的靜態(tài)電流最大值為：PStaticDCVVddss15mwk,3mA5.0V0V2）我們將該電流分配到電路的不同的地方去。例如，lOOA給偏置電路，2900yA給兩級放大電路。這里完全是根據(jù)設計人員的經(jīng)驗來確定，有可能電流的分配并不能使整個電路達到全局最優(yōu)

6、。4.等效輸入噪聲20nV/HZ(thermalnoise)我們知道每一個晶體管都存在噪聲電流源，其功率譜密度為Kg2mWLCox熱噪聲l/f噪聲圖2、NMOS管噪聲電流源我們忽略第二級的等效輸入噪聲，因為第二級的輸入噪聲要除以第一級的增益。輸入等效噪聲為v22n,inv2+nlm7g丿ml5.相位裕量60度，單位增益帶寬50MHz假設運放只有兩個極點。（實際上，會有兩個以上的極點，同時還會在右半平面或者左半平面的零點）。由于密勒補償電容Cc的存在，P和p2將會分ii.丿開的很遠。假定p160,申k90，l圖3、S平面中的兩個極點通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作

7、者:唐長文,菅洪彥 # #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #申180-PM-申302l-1.73,取片2puu通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #ggggo1o3+o5o7gg另外，主極點三mm5TOC o 1-5 h zp1(1+gm9)Cg+gCo9o11 HYPERLINK l bookmark24(ggg+ggg)(g+g)三_ol3m3_a7911gggCm3m5m9C通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #通信系統(tǒng)混合信號VLS

8、I設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #開環(huán)增益A=ogggmlm3m-5m9ggg+gggm5o1o3m3o5o7o9o11通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #g=A=mluop1CC為得到高的單位增益帶寬，應該使非主極點P2最大化。Telescopic兩級運放中存在至少三個極點：（1）Cascode點處（Ml的漏極、M3的源極）的極點:gm3p,cascodeC+C+C+Cgs3gd1db1sb32）補償電容引入的主極點：G=olPl(A+1)C2C(ggg+ggg)(g+g)m5olo3m3o7o9ollg

9、ggCm3m5m9C因為A2Cc是一個非常大的電容值，因此由于密勒效應該極點是一個主極點。（3）輸出極點：該極點主要是由輸出電容CL引起的。GQ=02poutC+CLeqCgCm9C+CCp，CC，C+CpLC+CCpgm9CC+CC+CC通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #M9柵極電容C=C+C+Cpgslldb3db5通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2

10、003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # CCpLgC:.三m9GPoutCC+CCLCLp而且CCCp/.wpoutgm9CL通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #這三個極點從小到大的順序以此為:通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #第一極點：p1TOC o 1-5 h z(ggg+ggg)(g+g)m5o103m3o507o9oilgggCm3m5m9C第二極點：，第三極點：=咋p2Cp3C+C+C+CLg

11、s3gd1db1sb3共模負反饋:CMFB為了穩(wěn)定全差分運放輸出共模電壓，必須設計共模負反饋電路。在設計輸出平衡的全差分運算放大器的時候，必須考慮到以下幾點1:共模負反饋的開環(huán)直流增益要求足夠大，最好能夠與差分開環(huán)直流增益相當；共模負反饋的單位增益帶寬也要求足夠大，最好接近差分單位增益帶寬；為了確保共模負反饋的穩(wěn)定，一般情況下要求進行共?；芈费a償；共模信號檢測器要求具有很好的線性特性；共模負反饋與差模信號無關(guān)，即使差模信號通路是關(guān)斷的。圖4是一種共模負反饋實現(xiàn)結(jié)構(gòu)1，該結(jié)構(gòu)共用了共模放大器和差模放大器的輸入級中電流鏡及輸出負載。這樣，一方面降低了功耗；另一方面保證共模放大器與差模放大器在交流特

12、性上保持完全一致。因為共模放大器的輸出級與差模放大器的輸出級可以完全共用，電容補償電路也完全一樣。只要差模放大器頻率特性是穩(wěn)定的，則共模負反饋也是穩(wěn)定的。這種共模負反饋電路使得全差分運算放大器可以像單端輸出的運算放大器7一樣設計，而不用考慮共模負反饋電路對全差分運算放大器的影響。通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # 電壓偏置電路：寬擺幅電流源通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2

13、003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #在共源共柵輸入級中需要三個電壓偏置，為了使得輸入級的動態(tài)范圍大一些，圖5中的寬擺幅電流源來產(chǎn)生所需的三個偏置電壓。根據(jù)寬擺幅電流源的設計要求，必須滿足B1B2B3(W(W1.21gm9TzRCCCuf并且mTuCC得到電阻值為1U1.2gm1四、手工計算首先，我們必須從CSMC0.6um工藝庫文件中得到工藝參數(shù):卩C=119卩A/V2,卩C=55.2卩A/V2,V=0.73V,

14、V=-1.0VnoxpoxTH,NTH,P1.確定Miller補償電容為了保證相位裕量有60,我們要求第二極點和零點滿足以下兩個條件：p2z10,2-m910m/1,m92m1zup2uCCCCccLc貝U,C0.2C=0.2X5pF=1pF。這里，我們?nèi)=2pF。CLC2.確定兩級放大器中的工作電流共模負反潰的輸入端電流與差模輸入端相同,因此輸入級的工作電流DS1(100Vus-2pf)=133.3uA,由于有一些寄生電容，預留一些余量，我們?nèi)=200卩A，則I=I=400卩A。DS1DS,14DS,13輸出級工作電流為，SRI=S-(C+C+C)=100Vus8pf=800uA,DS1

15、12CLCMFB同樣，由于有一些寄生電容，預留一些余量取I=900卩A。DS113.計算放大管的跨導gmm根據(jù)全差分SlewRate要求，SR=1.5x2Idst=彳仁嚴u=u=V,Cg212ef1uCm1vdS1eff1M1管的跨導u2I2X200uAgds10.942mQ-1m1V0.425Veff1M1管的有效電壓，V=-竺=2X200V卩=0.425V,eff1X6.28X50X106通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #gm1WW-(L)2=(L%根據(jù)第二

16、極點是單位增益帶寬的兩倍，W80pm(L)廣喬gm9(4.71mdi)2x119x10-6x900 x10-6=103.6,(0.942加O-i)22x55.2x10-6x200 x10-6P=2W-=2Xmt2uCCLCM9管的跨導g=2XgmtXC=2X0.942x10-3x5pf=4.71mQ-im9CL2pfC通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設

17、計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #?。ɡ铮?処竺,m9管的有效電壓V=人=2x900必=0.254VL91pmeff9g7.065mQ-1m9電流源偏置管和Cascode管的尺寸假定電流源偏置管M13、M11、M12、M7和M8,和Cascode管M3-M6的有效電壓V0.3V,eff這樣可以計算出所有管子的尺寸參數(shù)。假定Vf13=0-3V，則W2IDS13=L13pCV255.2x10-6x0.32poxeff132x400 x10-6W160pm(L)13二丁W(W)L11W(W)L139WW9Wdstt=-(-)=(-)=-(-)=362.3,4L11L12

18、4L13DS13L124L13W(L)nW=(L)12360pm1pmM11-M12管子的有效電壓,V=V=0.3Veff11eff12=0.3V,W(L)72IDS7pCV2noxeff,72x300 x10-6=56.0,119x10-6x0.32W(L)760pm1pm=0.3V,W(L)52IDS5pCV2noxeff,52x300 x10-6=56.0,119x10-6x0.32WW(L)5=(-L)L660pm1pm=0.3V,W(L)32IDS3pCV2noxeff,32x300 x10-6=120.1,(W)55.2x10-6x0.32L3W=(L)4120pm1pmCasco

19、de管M3的跨導為，gm3212x300 x10-6c小Dsr=2mQ-1V0.3eff3Miller補償電阻RC的確定我們將零點從右半平面移動左半平面1則，R=8850。c1.2gm1并且使其為單位增益帶寬頻率的1.2倍,u通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # 6.偏置電路的管子尺寸根據(jù)所有MOS的有效電壓，我們可以計算出偏置電壓Vb1-Vb4的值。Vb1=V-(V+V)=5-(1.0V+0.3V)=3.7VddTH,PDS,13V=V+V-V-V=V+(V+V

20、)-V-(V+V)b2IN,COMSG,1SD,1SG,3IN,COMTH,Peff,1SD,1TH,Peff,3=2.5V+(1.0V+0.318V)0.3V(1.0V+0.3V)=2.218V,由于襯偏效應,取V=2.1Vb2V=V+V+V=0.73V+2X0.3V=1.33Vb3TH,NDS,7DS,5(W(W(W10pm(W10pm(W2.5pm(WL丿JL丿JL丿2pmJL丿1|1mJL丿1|1mJL丿計算可以得到MB1-MB12管的尺寸為，偏置電流Ibias=25uA，V=V+V=0.73V+0.3V=1.03Vb4TH,NDS,7B10-125pm1|1m7.共模負反饋的管子尺寸

21、共模負反饋放大器輸入級與差模放大器輸入級相匹配，直流工作電流相同也采用Cascode結(jié)構(gòu)，因此管子尺寸為，為了提高增益/W、L丿14/W、L丿18(W160pm(W(W1(W40pm(W(WJL丿1|1mJL丿JL丿2JL丿2pmJL丿JL丿(W80pm(WW12(W1JL丿1|1mJL丿JL丿“3JL丿2340pm1|1m8.開環(huán)增益的確定假設NMOS管與PMOS管的X相等，XnggggA=mm3m-5mHoggg+gggg+gm5o1o3m3o5o7o9o11gm9100pm2pm_gggm1mm丿4g(XI)2+4g(XI)2XI+XIm5DS13m3DS13DS11得到X10416DS

22、13DS11DS11=0.2V-1，則L取1卩m基本能夠滿足直流增益指標。假設CSMC0.6卩m工藝中的X0.1V-1,Xnp通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 五、SPICE仿真1DC工作點與AC特性首先我們在輸入端為2.5V共模電壓的情況下，進行直流工作點的分析，對某些MOS管進行修改和調(diào)整。手工計算和SPICE仿真的管子尺寸如表格1所示。表格一、管子尺寸、工作電流與有效電壓MOS管W/L（計算值）IDSVeffW/L（仿真）IDSVeffM1M2M1780卩m

23、/2p,m200pA0.425V100pm/2pm227pA0.621VM3M4120pm/1pm300pA0.3V120pm/1pm341pA0.369VM5M660pm/1pm300pA0.3V60pm/1pm341pA0.282VM7M860pm/1pm300pA0.3V60pm/1pm341pA0.298VM9M10100pm/1pm900pA0.254V100pm/1pm1000pA0.340VM11M12360pm/1pm900pA0.3V300pm/1pm1000pA0.396VM13M14160pm/1pm400pA0.3V160pm/1pm454pA0.385VM15M164

24、0pm/2pm100pA0.425V40pm/2pm114pA0.528VM1880pm/1pm200pA0.3V80pm/1pm227pA0.368VM1940pm/1pm200pA0.3V40pm/1pm227pA0.283VM2040pm/1pm200pA0.3V40pm/1pm227pA0.297VMB1MB2MB310pm/2pm25pA0.290V10pm/2pm25pA0.277VMB42.5pm/1pm25pA0.602V2.5pm/1pm26.4pA0.854VMB5MB610pm/1pm25pA0.30V10pm/1pm26pA0.361VMB13MB7MB810pm/1p

25、m25pA0.30V10pm/1pm26pA0.382VMB14MB910pm/1pm25pA0.30V10pm/1pm26pA0.356VMB105pm/1pm25pA0.290V5pm/1pm26pA0.274VMB115pm/1pm25pA0.290V5pm/1pm26pA0.327VMB121.25pm/1pm25pA0.580V1pm/1pm26pA0.797V通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月3

26、1日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # Fdfl-il0500m*prcgecttwo-Dtagevitbtile&oopicinputDtage.IIIIIiiiiiirL4丄直流增益：83.4dB單位增益帶:55.3MHz相位裕度：增益裕量：22II400781.68dB丄一圖8AC特性PLOT圖應特性*projecttw-口t呂烏皀uith.teltoaoplainput口1:理閉環(huán)建10通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003

27、年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #Frequency(log)通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #Frequency(log)3共模負反饋通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #Frequency(log)通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告

28、2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #Frequency(log)直流增益:86.9dB單位增益帶寬:45.8MHz相位裕度:80通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # Frequency(log)通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #Frequency(log)4輸出動態(tài)范圍nj匚-tl圖13閉環(huán)連接I增益為-10)居的形式

29、，在輸入端施加峰峰值為HTTz11Jrj_q將全差分運放連輸入信號進行FFT分析，得到諧波失真總量THD。通過掃描輸入信號幅度,失真為0.1%時的輸出動態(tài)幅度。輸出動態(tài)范圍：土4.6V(THD=0.1%)口號。ZXduqAjuuAotIP!aEB|GSCdblCAiut然后對5.共模抑制比共模抑制比的測試需要兩個運放電路，一個連接成差模放大；另外一個連接成共模放大。1004.0II20-eo-B0差分信我們可以得到8120圖14共模抑制比，CMRR100LOkLOOk100klOg通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程

30、設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # Frequency(log)6電源抑制比電源抑制比的測試，與共模抑制比相類似，需要兩個運放電路，一個連接成差模放大外一個在電源vdd或者地vss上加一交流小信號。通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # #Frequency(log)通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 #Frequen

31、cy(log)oO2020oO480(口-hddUJlfMJJmoOO通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥1 #0 7等效輸入噪聲特性等效輸入噪聲的測試可以與AC特性測試一同進行。通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥1 #0 #通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設

32、計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥1 0 #電壓vth偏差）造成的輸入失調(diào)，我們需要采用蒙特卡羅分析。A2a2=Vt，其中對n溝管人卩=11.5mVpm，對p溝管-19mVpm其中對n溝管Ap=2.5%pm,對p溝管A=2.3%pm通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥1 #0 通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥1 0 #MOS

33、管類型W/Loo(mv)VMlM2M17PMOS100卩m/2卩m0.16%1.34M3M4PMOS120p,m/1卩m0.21%1.73M5M6M7M8NMOS60pm/1pm0.32%1.49M9M10NMOS240pm/1pm0.16%0.74MllM12PMOS300pm/1pm0.12%1.10M13M14PMOS160pm/1pm0.13%1.50M15M16PMOS40pm/2pm0.26%2.12M18PMOS80pm/1pm0.26%2.12M19M20NMOS40pm/1pm0.40%1.82MB1MB2MB3NMOS10pm/2pm0.56%2.57MB4PMOS2.5p

34、m/1pm1.45%12.01MB5MB6MB7MB8MB9MB13MB14PMOS10pm/1pm0.73%6.01MB10MB11NMOS5pm/1pm1.12%5.14MB12NMOS11.25pm/1pm2.24%10.29、W/L失配，閾值電壓V偏差表格二*pirajieattwo-stagevithtels口upp:!亡inputstage耳H】口FjJl-iDH輸入失調(diào)電壓：土3.2mV1500m圖181六、結(jié)論本文對全差分運算放大器的各項性能指標進行了分析，并且使用一級模型進行手工計算，然后在HSPICE軟件下進行仿真調(diào)試。在共模負反饋電路中，采用共模放大器輸入級與差模放大器輸

35、入級共用的方法，降低了全差分運放設計難度，使得全差分運算放大器設計流程與單端輸出運算放大器設計流程相同。整個運算放大器的性能達到了設計指標要求，各項性能指標羅列如下：直流增益:83.4dB單位增益帶寬:55.3MHz負載電容:=5pF相位裕量:81.6增益裕量:22dB開環(huán)差分壓擺率:202V卩s共模電平:2.5V(VD=D5V)共模負反饋直流增益:86.9dB共模負反饋單位增益帶寬:45.8MHz共模負反饋相位裕量:80等效輸入噪聲:11.9nV：；4H輸入失調(diào)電壓:3.2mV差分輸出擺幅:4.6V(THD=0.1%)七、展望我們在設計一個確定結(jié)構(gòu)的運算放大器電路的時候，許多設計約束條件和設

36、計目標函數(shù)往往都是尺寸參數(shù)(管子尺寸，偏置電流)的一個多項式函數(shù)。我們調(diào)管子尺寸參數(shù)的設計過程，其實就是在滿足所有設計約束的條件下，得到設計目標函數(shù)的一個解的過程。通常情況下，通過手工計算和SPICE仿真相結(jié)合得到的解是一個局部最優(yōu)解。而一種采用數(shù)學最優(yōu)化方法一幾何規(guī)劃(GeometricProgramming)方法5,6,7來求解運算放大器的所有約束條件，將得到設計的全局最優(yōu)解。幾何規(guī)劃問題是滿足下面表達式的一個數(shù)學最優(yōu)化問題。Minimizef(x)0subjecttof(x)0，i=1,.,n,i其中ff是凸函數(shù)。另外幾何規(guī)劃問題必須滿足三個附加條件：0,.,m目標函數(shù)是一個凸函數(shù)不等式約束函數(shù)都是凸函數(shù)通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥通信系統(tǒng)混合信號VLSI設計課程設計報告2003年12月31日作者:唐長文,菅洪彥 # 等式約束函數(shù)g=aTx-b是仿射的iii幾何規(guī)劃問題理論已經(jīng)在數(shù)學界得到了證明，而其應用在最近幾年才得到了蓬勃發(fā)展。主要原因是近十年間，適用于通用凸優(yōu)化問題求解方法內(nèi)點法的開發(fā)，使得凸函數(shù)求解變得非常有效。這些算法能夠在幾秒中之內(nèi)求解一個具有上千個變量和幾千個約束的凸優(yōu)化問題。而且