闲聊+旧文重发_从0开始设计运放--运放设计初尝试

今日碎碎念

今天看到一个关注的公众号博主，最近也做了全麻胃肠镜，然后从文章看，发现做完后的她的饮食很讲究。

回想当时，我中午回到家后，粥是喝的粥，但是看到前天晚上的带鱼还在锅里，我就热热，就这粥一起吃了。算分量，差不多一盘。

我吃之前，我问队友说，这带鱼能吃吧？队友很配合地说，吃吧，没问题。

但今天，看到人家讲究的饮食，我突然有点懊悔，不知道有没有造成啥隐患。不过，吃都吃了，有隐患也认了。

去医院的当天，还有一件，我觉得有点搞的事情。

我们从护国寺小吃(主要是他们吃，我看着)，路过一个老旧小区旁的时候，一辆挺漂亮的小车从门口驶出来，我看着车标，心里想着，这金杯还挺漂亮的。等车开过去后，队友和我说，这就是玛莎拉蒂。

车盲，真的太可怕了

。

从昨天开始，娃娃们都上学了。我的作息总算也恢复正常了。

不过，这写文的效率，还是没恢复；另一方面呢，这两天，都在看半导体物理中MOSFET管的部分，花了时间看吧，又没看太懂。所以也没啥素材。

因此，今天就挑了一篇以前的文章，充充数。如果大家对运放的设计的参考视频感兴趣的话，文末扫码获取。

1 单级运放的设计

指标要求:

VDD=1.8VAv≥100(40dB),单级运放可能达不到这个值CL=10pFMaximum input common mode range=1.6VMinimum input common mode range=0.8VSlew rate=5V/usecPower<3mWGain-Bandwidth Product>5MHz

指标推算

图 1 单级运放的架构

单级运放采用图 1所示架构。

在设计运放之前，需要了解的是，上面的所有的管子，都需要工作在饱和区。

同时，指标与各管子参数之间的关系是：

Slew rate由I0来决定M3,m4由maximum input common mode range来决定M1,m2由gain bandwidth product来决定M5由minimum input common mode range来决定M8由I0和m5来决定

由slew rate来确定I0

Slew rate(压摆率)是输出电压随时间变化的最大值，一般考虑slew rate的时候，一个通路是off，一个通路是on。On的那个支路，会sink或者source所有的电流，即I0，如图 2所示。

图 2 单级运放Slew rate的推算演示图

因为slew rate=5V/us，CL=10pF，所以I0=CL*slew rate=10p*5V/us=50uA。

由maximum input common mode range来决定M3/M4的尺寸

a 使用仿真软件来估算大概的unCox和upCox，以及Vthp,Vthn.

在估算M3/M4的尺寸的时候，需要知道unCox和upCox，以及Vthp，Vthn。可以通过在virtuoso软件搭建如图 3所示的电路图，然后仿真，得到上述值。

图 3 在virtuoso搭建电路的原理图

同时，为了减少沟道调制效应的影响，虽然使用的工艺Lmin=180nm，但是仍然选择L=1um。具体仿真图，如图 4所示。

图 4 获取uncox,upcox等参数的virtuoso软件中的设置

查看DC operating point，并点击管子，就可以得到管子的参数，如图 5所示。

图 5 管子的直流参数

从仿真结果可知，PMOS的betaeff=674.856u，取betaeff=700u=upCox(W/L)。因为在软件中，W/L设置的是10，所以upCox=70u。

同样的，NMOS的betaeff=3.388m，取betaeff=3.388m=unCox(W/L)，因为软件中，设置W/L=10，所以可以取unCox=350u。

在进行前期设计的时候，可以取upCox=70u, unCox=350u。虽然这两个是近似值，但是作为初值计算是足够的。然后再打开上面的参数表，确认region=2，即管子处于饱和区。

同时记录下Vthp=-425.038mV和Vthn=412.644mV，m1和m2的Vth会比上面仿真的大一点，因为在上面的运放原理图中，sub接地，source没有接地，所以sub和source之间会又一个电压差，即有body effect。

在初值估算的时候，还是取和仿真值差不多的值，即：Vthp=0.5V，Vthn=0.45V。

不过在进行两级运放设计的时候，用的是接近实际电路的原理图进行的仿真，后续可以更新。

b 推导M3和M4的尺寸

由gain bandwidth product来决定M1/M2的尺寸

图 1所示架构所示的电路，传输函数如图 6所示:

图 6由Gain Bandwidth product推导出M1/M2的尺寸

由minimum input common mode range来决定M5的尺寸

M5由minimum input common mode range推导得到。

经过上面的推导计算后，可以得到各个管子的尺寸：

(W/L)3,4=72;

(W/L)1,2=6;

(W/L)5,8=8.

增益的仿真(AC analysis)

AC仿真时，设置两个信号源的直流电压为900mV，AC电压分别为500mV和-500mV。AC仿真的时候，主要由直流电压来决定直流工作点，并且AC电压的大小，不会影响该直流工作点。

这边选±500mV，是让Vin_pos-Vin_neg=1V，这样输出信号的幅度和大小，即是整个环路的幅度和大小。

2 两级运放的设计

两级运放电路原理图的由来

两级运放的原理框图，以及相应的分析如图 8所示，并假设p1和p2的分布也如图。

图 8未补偿的两级运放的原理图，及其小信号分析，还有波特图

如果phase margin≈0°，那怎么办呢？

一个方法，是把把wp1往DC处移，使系统看起来像一个one-pole system。在反相放大器的输入和输出端跨接一个电容，由Miller’s theroem进行分析的话，在输入端会得到一个大电容，如图 9所示。

图 9在反相放大器的输入和输出端跨接一个电容

所以，如果在M6的输入和输出端跨接一个电容Cc，那可以使得wp1往DC处移，电路图和相应分析如图 10所示。

图 10 用Cc进行补偿后的两级运放的原理图，及其小信号分析，波特图分析

用KCL和KVL，计算上述电路的传输函数，如图 11所示。这里不使用Miller’s theorem，是因为Miller’s theroem虽然方便简单，但是会忽略到零点，同时会有pole splitting。

图 11 加入Cc电容后的两级运放的传输函数的推导

指标要求

VDD=1.8VAv≥1000(60dB)GBW=30MHz,PM≥60°Slew rate=20V/usecMaximum input common mode range=1.6VMinimum input common mode range=0.8VCL=2pFPower<300uW

指标推算

图 12 两级运放的架构

单级运放采用图 12所示架构。

在设计运放之前，需要了解的是，上面的所有的管子，都需要工作在饱和区。

同时，指标与各管子参数之间的关系是：

Cc由phase margin来决定Slew rate由I0和Cc来决定M3,m4由maximum input common mode range来决定M1,m2由gain bandwidth product来决定M5由minimum input common mode range来决定M7由I0和m5来决定

Phase margin 推导出Cc的值

Phase margin是当增益为1时，对应的相位与-180°之间的差值。

假设零点在很远处，即zero≥10*GBW，其中：

当增益为1时，频率即为GBW，所以对应的相位裕度的计算如图 13所示。

图 13两级运放phase margin的推导

由1.2.2指标要求可知，PM=60°，CL=2pF，所以可以推导出Cc的值，如图 14所示。

图 14由phase margin推导出Cc的值

由slew rate来确定I0

图 12所示的两级运放，在输入信号足够大时，电流I0会完全流过Cc。

图 15两级运放由slew rate来推导I0

指标要求Slew rate≥20V/usec，Cc=800fF，所以I0≥20V/usec*800fF=16uA。取I0=20uA。

由maximum input common mode range来决定M3/M4的尺寸

使用仿真软件来估算大概的unCox和upCox，以及Vthp,Vthn

通过在virtuoso软件搭建如所图 16示的电路图，然后仿真，得到上述值（确定Vt1min和Vt3max，在40min左右， series 9 ）。

图 16 在virtuoso搭建电路的原理图

同时，为了减少沟道调制效应的影响，虽然使用的工艺Lmin=180nm，但是仍然选择L=1um，I0=20uA。

在VCM=1.6V时，可以得到Vthn≈0.633V，|Vthp|≈0.425241V；

在VCM=0.8V时，可以得到Vthn≈0.481V，|Vthp|≈0.425241V。

由下面一节的推导可知，Vthn和Vthp都各自往外扩了一点，所以取Vthn=0.48V，|Vthp|=0.43V。

借用前面的仿真，仍然取upCox=70u, unCox=350u。虽然这两个是近似值，但是作为初值计算是足够的。然后再打开上面的参数表，确认region=2，即管子处于饱和区。

推导M3和M4的尺寸,如下图所示。

由gain bandwidth product来决定M1/M2的尺寸

由minimum input common mode range来决定M5的尺寸

如何用minimum input common mode range来确定M5的尺寸，如下图所示。

由zero≥10*GBW 推导出M6的尺寸

推导出M7的尺寸

Virtuoso仿真

综上推算，(W/L)6=174，(W/L)7=243，(W/L)1=(W/L)2=12，(W/L)5=14，(W/L)3=(W/L)4=5，Cc=800fF，I0=20uA，原理图如下图所示。

但是进行仿真设置的时候，发现W/L的值，W最多只能是100u。

所以，把L的值设置为400nm，从而来减小W的绝对值，使其位于100um以内。

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