两级CMOS运算放大器设计：解决高增益与输出摆幅的挑战

两级CMOS运算放大器的提出是针对单级电路设计局限性的一种解决方案。传统的单级设计，如差分放大器（使用电流镜作为负载），尽管具有一定的增益，但由于受输入对管的跨导和输出阻抗的影响，往往无法实现高增益和宽频带特性。共源共栅结构的运放虽然能提高增益，但会牺牲输出摆幅，这在需要高性能应用中显得不足。 两级CMOS运放的设计旨在通过结合两个或更多放大阶段来增强整体性能。这种结构能够提供更高的直流开环增益（通常超过70分贝），确保信号处理的精度。同时，单位增益带宽（UGB）目标设在5MHz以上，满足快速响应的要求。为了保证稳定性，相位裕度被控制在45至75度之间，以避免闭环系统不稳定。失调电压（Offset Voltage, VOS）小于20毫伏，保持了输出的精确度，而建立时间（Setting Time, TSET）小于1微秒，反映了运放的瞬态响应能力。 电源抑制比（PSRR）大于60分贝，这意味着运放能够有效地抑制电源噪声，保护信号质量。在电路设计上，M1和M2以及M3和M4晶体管的宽长比被优化，以达到良好的器件匹配和性能一致性。这种设计策略使得两级CMOS运放成为模拟与混合信号集成电路设计中一个关键的组件，广泛应用于信号处理、数据转换和通信系统中，尤其是在需要高性能和低功耗的应用领域。西安电子科技大学微电子学院的刘帘曦教授指导下的课程，提供了理论教学与实践操作相结合的方法，帮助学生深入理解并掌握两级CMOS运算放大器的设计原理和实现技术。