电子产品世界

改进后的CMOS二级运放电路仍采用比例电流镜产生偏置电流，而比例电流镜系统由VM5、VM6、VM7、VM10、VM11和VM12构成。受到模型参数的影响，为了达到适合的电位，采用VM11和V12两个PMOS管共同作为等效电阻。电路的两级放大电路没有变化，仍是分别由VM5和VM7提供电流偏置。VM1、VM2和VM3、VM4构成带有源负载的差分输入级，第一级放大电路。VM7和VM9是个简单的带有源负载的共源放大器，第二级放大电路。两级放大电路之间加入由VM6和VM8组成的缓冲器。其中，VM6管提供电流偏置，而VM8管工作在共漏组态，增益为1，即源极跟随器。源极跟随器的存在使得密勒补偿电容和输出端不直接相连，同时实现了输出端至电容端的电位平移。频率提高到一定程度时，受到源跟随器的制约，密勒补偿电容无法将信号直接馈送到放大器输出端，从而克服了密勒补偿电容带来的前馈效应，也消除了零点，改善运放的稳定性。

2 误差放大器参数设置
根据本设计的整体电路要求，误差放大器的性能指标设计目标设定如下：增益>60 dB，带宽>50 MHz，相位裕度>80°，静态电流200 μA。
1)首先确定工作点。已知电路是由5 V的单直流电源供电，为了使输出电压的摆幅尽可能大，则VM7管的直流工作区间应该设置在饱和区，应满足VG(M7)≥5 V+VTP条件。其中，VG(M7)是VM7的栅极电压，VTP是PMOS管的开启电压，估算值为-1 V，因此VG(M7)设计取值4V。
2)静态电流和功耗设计。静态电流要求在200μA以下，分配到各支路，应满足以下条件：

3)忽略沟道调制效应，确定MOS管的宽长比。因为要保证MOS管工作在饱和区，所以MOS管电流和管子宽长比有如下关系：

其中，ID是MOS漏电流，up是PMOS的空穴迁移率，Cox是单位面积栅极电容，VGS是MOS管的栅源电压，VTP是PMOS管的阈值电压。这些参数中，ID和VGS通过电路仿真测得，up、Cox和VTP的取值一般能在工艺文件中直接查到，也可以在电路里通过仿真、计算得出。以上参数确定后，可计算可得到MOS管的宽长比。
4)运放增益的计算方法如下：

其中，gm1和gm2分别是第一、第二级放大器的等效跨导，R1和R2分别是第一、第二级放大器的等效输出电阻，计算公式如下：

上面几个式子中，uN是NMOS管的电子迁移率，rds是各MOS管的源漏电阻。

3 误差放大器仿真结果
在Cadence软件中搭建模拟仿真验证平台，在电源和地线之间接入5 V直流电压，误差放大器的正向输入端接入1．12 V的直流电压(这个电压取值在系统中由带隙基准电压源产生)，反向输入端输入一个直流电位为1．12 V的正弦波。由于放大器的电压增益较大，如果正弦波的交流幅度较大，会使得输出出现失真，因此，这里将反相输入端的正弦波电压选取1 mV的交流幅度输入。
首先要进行直流工作点的验证。通过dc仿真，观测电路中的MOS管工作状态，如果有不在饱和区的管子，需要根据调整MOS管宽长比，直至所有管子的工作区(region)都显示为“2”。
直接测试电源电压端的电流值，即可得到误差放大器的静态总电流。测得这个电流值I为173．4μA，由此可计算出误差放大器的静态总功耗：

关键词： CMOS PWM 误差放大器