复旦大学二级运放设计教程：密勒补偿与电路分析

"该文档是复旦大学关于二级密勒补偿运算放大器设计的教程，由RFIC整理，适用于新手入门。内容涵盖运放的工作原理、电路分析、设计指标、电路设计、仿真等多个方面，旨在深入理解二级运放的运作机制和实际应用。" 在模拟电路设计中，运算放大器（简称运放）是一种重要的集成电路，广泛应用于信号处理、滤波、放大等领域。本教程专注于二级运放，这种设计通常能提供更高的增益和更好的频率响应。二级运放由两个或更多级放大器组成，通常包括输入级、中间级和输出级，以实现更复杂的电路功能和性能优化。 二级密勒补偿运算放大器的设计涉及多个关键概念： 1. **电路结构**：二级运放由两个非反相放大器组成，第一级通常用于提供高增益，第二级则负责提高带宽和稳定输出。 2. **静态特性**：包括输入偏置电流、输入失调电压、共模输入范围等，这些参数影响运放的线性工作区。 3. **频率特性**：涉及单位增益带宽（GBW），表示运放在单位增益下可维持稳定放大能力的频率范围。 4. **相位补偿**：通过引入适当的负反馈来稳定电路，防止振荡，通常采用密勒补偿法。 5. **调零电阻**：用于校正输入失调电压，提高运放的精度。 6. **偏置电路**：确保运放工作在合适的偏置点，保证线性操作。 7. **设计指标**： - **共模输入范围**：运放可以接受的输入电压范围，保持输出不失真。 - **输出动态范围**：运放能产生的最大输出电压范围。 - **GBW**：决定运放的高频响应能力。 - **输入失调电压**：输入两端无信号时的输出电压，包括系统失调和随机失调，后者受工艺和温度影响。 - **静态功耗**：运放在无信号输入时消耗的功率。 - **CMRR**（共模抑制比）：衡量运放抑制共模信号的能力。 - **PSRR**（电源抑制比）：衡量运放抑制电源电压变化对其输出的影响。 - **SlewRate**（转换速率）：运放输出电压随时间变化的速率，与GBW和输出摆幅有关。 - **噪声**：包括低频噪声和输入积分噪声，影响运放的信噪比。 8. **电路设计**：考虑MOSFET的工作区域、过驱动电压的影响，以及各种约束如对称性、失调、功耗、面积、增益、CMRR、PSRR、SlewRate和噪声等。 9. **仿真**：使用HSPICE和Cadence等工具进行电路建模和性能验证，包括静态功耗、增益、带宽、相位裕度、CMRR、PSRR、噪声、压摆率和输出动态范围的仿真。 该教程详细讲解了二级运放的设计过程，从理论到实践，为初学者提供了全面的学习资料，有助于理解运放的工作原理和设计技巧。通过学习，读者将能够掌握如何分析和优化运放电路，以满足特定应用的需求。