优化两级CMOS运算放大器设计：理论与应用

密勒定理在模拟与混合信号集成电路设计中扮演着关键角色，尤其是在两级CMOS运算放大器的设计中。该定理用于计算小信号增益，通过使用低频增益来简化分析，帮助我们理解电路在不同频率下的行为。在本课程中，西安电子科技大学微电子学院的刘帘曦老师讲解了运算放大器的基本概念，如其作为模拟电路的核心组件，能实现信号的各种运算，如放大、微分和积分等。 设计过程通常涉及单级电路，如单级差分运算放大器（电流镜作为负载的差分放大器）、套筒式和折叠共源共栅运算放大器，以及更复杂的两级结构，如双端输入、双端输出（Rail-to-Rail）运算放大器和切波器运算放大器。其中，两级运放被设计为解决单级电路增益受限的问题，通过组合两个放大阶段，以提高总的电压增益和动态范围。 在两级运放设计中，重点考虑了多个关键性能指标，如直流开环增益需大于70dB，以确保高增益；单位增益带宽超过5MHz，保证高频响应能力；相位裕度保持在45°到75°之间，以确保稳定性；失调电压小于20mV，确保信号的准确处理；建立时间TSET小于1μs，反映快速响应速度；电源抑制比PSRR大于60dB，防止电源噪声影响放大效果。 电路结构上，M1和M2的晶体管具有相同的宽长比，M3和M4也是如此，这种对称性有助于优化电路性能。设计过程中，需要对电路进行频率补偿以改善频率响应，采用通用的设计方法并结合仿真测试验证电路的性能。最后，版图设计是实现电路实际制造的重要步骤，确保了设计意图能在实际器件中得到体现。 密勒定理在两级CMOS运算放大器设计中的应用，不仅涉及到理论分析，还涵盖了电路的实践操作，包括性能目标设定、电路结构优化和测试验证，是一个既理论深厚又技术实践并重的过程。