两级CMOS运算放大器设计：CMRR仿真与测量

本文主要探讨了CMRR的仿真和测量在AC仿真中的应用，以及两级CMOS运算放大器的设计和性能指标。 CMRR（共模抑制比）是衡量运算放大器对差模信号和共模信号处理能力的一个关键参数。它是差模电压增益与共模电压增益的比值，通常以对数形式表示。高CMRR意味着运算放大器具有更好的对称性和更低的共模噪声。在进行AC分析时，可以通过在输入端施加幅度为1V并偏置在Vcom上的交流电压源，通过电阻R（如20K欧姆）连接到电路，然后观察Vo点的波形。1/Vo的值就代表了CMRR的倒数。实际测试Vo得到的是CMRR的倒数，而非直接的CMRR值。 在模拟与混合信号集成电路设计中，两级CMOS运算放大器是一种常见的设计结构，它通常由一个差分放大器和一个共源级组成，能够提供更高的增益和更好的频率响应。相较于单级放大器，两级设计可以实现更高的直流开环增益（DC Open-Loop Gain）、更大的单位增益带宽（Unit-Gain Bandwidth），同时保持良好的相位裕度（Phase Margin）和较低的失调电压（Offset Voltage）。 两级CMOS运算放大器的性能指标包括但不限于以下几个方面： 1. 直流开环增益：通常要求大于70dB，这确保了足够的放大能力。 2. 单位增益带宽：至少需超过5MHz，以适应高速信号处理需求。 3. 相位裕度：要求在45度至75度之间，保证系统稳定性。 4. 失调电压：应小于20mV，以减少信号失真。 5. 建立时间：需小于1微秒，确保快速响应。 6. 电源抑制比：要求大于60dB，降低电源波动对输出的影响。 在设计两级运放时，通常会考虑频率补偿，以防止系统在高频下发生振荡。这通常通过适当的电容和电阻网络实现。版图设计也是至关重要的，需要优化晶体管尺寸、布局和互连，以提高整体性能和减少寄生效应。 两级CMOS运算放大器的基本结构通常包含对称的MOSFET对，如M1和M2以及M3和M4，它们的宽长比匹配，以实现输入对称性和增益平衡。这种设计旨在平衡增益与输出摆幅、速度与功耗之间的关系。 理解并掌握CMRR的计算和两级CMOS运算放大器的设计原则对于模拟集成电路设计者来说至关重要，因为这些技术直接影响到运算放大器的性能和应用范围。