手工计算：0.6um工艺全差分运算放大器设计详解

本文档是关于《通信系统混合信号VLSI设计》课程设计的一份详细报告，撰写于2003年12月31日，由唐长文和菅洪彦两位作者完成。报告聚焦于在上华0.6um CMOS 2P2M工艺上设计的全差分运算放大器，这是一种关键的电子元件，用于处理电信号并满足特定的性能指标。 设计目标包括高直流增益（>80dB），宽的单位增益带宽（>50MHz），低的输入失调电压（<10mV），以及大差分输出摆幅（>±4V）。选择的运放结构是共源共栅两级设计，这是基于对输出摆幅的要求，单级的折叠共源共栅和直接共源共栅结构难以达到理想输出电压范围。 设计过程中的一个重要步骤是确定Miller补偿电容，以确保相位裕量大于60°，通过计算得出最小必要电容值。同时，作者考虑了输入级和输出级的工作电流，为保证足够的电流和克服寄生效应，设置了相应的余量。 设计者选择了共源共栅结构作为输入级，以提高直流增益，而输出级采用共源结构以降低功耗。在这个过程中，采用了零极点补偿技术，如Miller补偿或Cascode补偿，来维持放大器的稳定性。 文档详细地介绍了跨导gm的计算，通过全差分Slew Rate的要求来确保放大器性能，如M1管的有效电压和跨导的计算。此外，还提到了其他性能指标，如单位增益带宽、负载电容、共模电平、等效输入噪声等，并设定了相应的阈值。 这份报告深入探讨了全差分运算放大器的设计过程，包括电路结构的选择、性能指标的优化以及关键技术的运用，为读者提供了一个实际的VLSI设计案例研究。