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第 14 章 运算放大器工程设计
设计一款工程用运算放大器，考虑多级运算放大器设计的指标与结构之间的关系以及
运算放大器的设计思路。
14。1 设计指标
设计一个驱动容性负载的CMOS运算放大器作为缓冲放大器使用，其具体的指标为：
相位裕度： 600 负载电容： 60PF
开环增益（低频）： 85dB 共模输入范围： …1。5V～2。5V
输出电压： …3V～3V（CL only） 电源电压： Vdd＝…Vss＝5V
压摆率： 3V/us 直流功耗 ： 2MHz 输出信号： 单端输出
共模抑制比： CMRR》80dB
14。2 放大器结构的确定
1、根据增益要求确定放大器的最小级联数
由于单级CMOS放大器的电压增益通常为 20－60dB，根据所提出的设计指标，其增益要
求不小于 85dB，因此至少需要两级放大器级联。
2、根据所需驱动电容负载确定运算放大器的输出级
由于要求该放大器驱动大电容负载（60pF），并实现缓冲放大，所以采用源极跟随器作
为输出级，以避免负载对前一级增益的影响。
由以上两点可以初定运算放大器为三级级联结构。
基本结构定下来后，则需对所要求达到的具体指标进行初步分配，其分配原则是：
①由于运算放大器要求的共模输入范围大，即体现在对第一级放大器要求共模输入范
围大，而根据分析可知，该级放大器的增益不能很高（共模输入与增益是一对矛盾体），所
以第一级的增益设计为 30～40dB。
②由于输出级（第三级放大器）设计为源极跟随器，其增益为 1，为了实现总的增益
要求，第二级的增益要求达到 60～70dB。
另外，为了实现缓冲放大，使放大器能稳定工作，在电路中采用RC补偿，并为了实现
片内补偿的要求。利用密勒补偿方法，以减小补偿电容和电阻值。
3、具体电路形式
进行电路设计之前，必须先确定所选工艺，假定所采用的为N阱CMOS工艺。
（1）输入级的确定
由于该放大器要求在工作电源为±5V时，其共模输入范围要达到±3V，因此第一级放大
器（输入级）只能采用最简单的差分放大器。
由于采用的是N阱CMOS工艺，则采用PMOS管作为差分输入对管就可避免其衬底偏置效
应，而采用PMOS管作为输入对管还可减小放大器的噪声，因此在本设计中输入级的差分输
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入对管为PMOS管。另外输入级采用PMOS管为输入对管，而第二级采用NMOS输入，则可实现
电平位移作用，因而放大器中可以省一级电平位移电路。
（2）中间级的确定
为了满足系统增益要求，第二级（中间级）采用共源共栅放大器，但输出幅度将受到
限制（由于后一级采用共源电路，要求输出幅度大）。
（3）输出级的确定
为了提高驱动能力，输出级采用共源电路并以PMOS管作为输入管，以避免衬底偏置效
应，但由于电平位移的作用使输出幅度下降。
另外，由于输出级电流较大，则需采用独立的偏置电路。
（4）补偿方式的确定
为了使运算放大器能稳定工作，必须采用补偿，为了实现内补偿，在本设计中采用RC
补偿方式，并且电阻R由NMOS管组成。
由以上讨论确定运算放大器电路。
14。3 选择工艺参数
假定所采用的为N阱CMOS工艺。
14。4 各级放大器参数的初步考虑
14。4。1 输入级－差分输入级
差分放大器的指标很多，而对于不同侧重点的放大器所设计的电路是不一样的，即差
分放大级设计方法多种多样，先要确定所需设计的放大器在系统中所起的主要作用（即主
要指标）作为设计思路初步确定其参数，而把其余的指标作为验证手段，反复计算直至所
有的指标都能满足设计要求。
该电路的最大特点是用做缓冲放大，因此输入共模范围必须和输出幅度相等。而这一
指标必须由输入级完成，所以输入级的差分放大器的输入共模范围必须作为一个主要设计
指标来考虑。
（1）正向共模范围VCM
（2）负向共模范围VCM
（3）增益
（4）计算CMRR
（5）HSPICE验证
输入级电路中每一个MOS管的宽长比、流过电流及偏置点电位均已知，所以可通过
HSPICE模拟验证。验证是否达到设计指标时，分以下三个步骤：
①验证其静态工作点是否正确，此时应假定放大器的输入为 0。
②验证共模范围是否满足设计要求，此时应假定放大器的输入信号为共模电压。
③验证放大器的增益是否满足设计要求，此时放大器的输入信号应为差模信号。
14。4。2 主增益级的设计
主增益级不但要实现增益的要求，而且其输出幅度必须达到设计要求，在直流工作情
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况下，还要考虑输出失调电压。另外还应该注意极点分裂和对工艺的灵敏度等问题。
14。4。3 输出级的设计
根据电路压摆率的要求确定工作电流。
14。4。4 偏置电路的设计
（1）主增益级的偏置电路
（2）输出级的偏置电路
14。4。5 验证
采用HSPICE对所设计的电路进行仿真验证其直流、各支路电流、各点电位、增益、功
率是否与设计相同，并计算开环频率特性，求出频率极点和单位增益带宽。
14。4。6 频率补偿设计
对于多级放大器而言，其频率补偿电路的设计至关重要，由于该放大器用做缓冲放大，
是一个二级放大器，一般为两个主极点频率。
该运算放大器设计完毕后，接下来是进行版图设计，但由于在实际工艺流片中存在诸
多误差，特别是横向扩散的存在，所以必须在版图设计初步完成后进行参数提取后的HSPICE
模拟，若不能达到设计要求，则必须进行版图的修正，再进行模拟，直至满足设计要求。
14。5 实例：一个带缓冲级运算放大器
基于下列假设求运算放大器的增益和频率响应（假设Cc＝5pF）。假设输入差动对的偏
I =100uA V =…V =2。5V R =10kΩ
置电流为 DS ，电源 DD SS ， L 。并假设下列工艺参数：
γ =0。5V 1/ 2 φ =0。35V α =5 ×106 V / m
unCox=96uA/V2， upCox=32uA/V2， ， F ， ，且
Vtn=…Vtp=0。8V。为了计算输出阻抗，假设第一级晶体管的漏极－栅极电压等于 0。5V，但
V =1V
是第二级和第三级的晶体管 DGi 。最后，不假设M8 的衬底与源极相连，而是假设M8
的衬底与负电源相连。
I =100uA
解：首先计算偏置电流。因为 DS 5 ，有
I =I =I =I =I / 2 =50uA
D 1 D 2 D 3 D 4 D 5
（ ）
I =I = W / W I =100uA
D 6 D 7 6 5 D 5
且
（ ）
I =I = W / W I =167uA
D 8 D 9 9 7 D 7
现在我们可以计算M1、M2、M7 和M8 的跨导。通过
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W
g =g = 2μ C I =0。775mA / V
m1 m 2 p ox D 1
L
1
，
g m 7 =1。90mA / V g m 8 =3。16mA / V
， 。
接 着 ， 我 们 需 要 推 算 晶 体 管 的 输 出 阻 抗 。 要 求 这 个 阻 抗 ， 我 们 用 式
Li
r ≈α V ＋V
dsi DGi ti
I Di （忽略了短沟道效应，α 是一个技术相关的参数，约为
5 ×106 V / m V =0。5V
）和第一级晶体管的 DGi 而第二级漏极－栅极电压为 1V的近似。这
里应该提到的是，这些非常粗略的漏极－栅极电压近似是合理的，因为上式只有中等的精
确度，最多 50％。晶体管输出阻抗的这些值一旦运用SPICE分析就可以在后来修正。运用
上式我们求得第一级所有晶体管的输出阻抗为
rds1=rds2=rds3=rds4=182kΩ
第二级晶体管的输出阻抗为
rds6=rds7=107Kω
但是输出级晶体管的输出阻抗为
Rds8=rds9=64kΩ
g mγ
g s =
2 V ＋2φ
我们需要计算的最后参数为M8 的体效应电导