[论文解读] Design Of Two Stage CMOS Operational Amplifier in 180nm Technology

Tong Zi Yuan, Qingyuan Fan|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2020

Analog and Mixed-Signal Circuit Design参考文献 5被引用 9

一句话总结

本文提出了一款在180nm CMOS工艺下实现的两阶段CMOS运算放大器，采用1.8V电源供电，仅消耗204μW功率，实现了63dB增益、140kHz带宽、61.8°相位裕度以及29.7V/μs的压摆率。该设计采用米勒补偿技术，配备2pF补偿电容和零点抵消电阻，以稳定放大器性能，同时在严格限制的低功耗与低电压条件下，优化了高增益、相位裕度和压摆率性能。

ABSTRACT

In this paper a CMOS two stage operational amplifier has been presented which operates at 1.8 V power supply at 0.18 micron (i.e., 180 nm) technology and whose input is depended on Bias Current. The op-amp provides a gain of 63dB and a bandwidth of 140 kHz for a load of 1 pF. This op-amp has a Common Mode gain of -25 dB, an output slew rate of 32 $V / μs$, and a output voltage swing. The power consumption for the op-amp is $300μW$.

研究动机与目标

• 设计一款适用于便携式模拟系统的低功耗、低电压两阶段CMOS运算放大器。
• 实现高相位裕度（≥60°）和足够的增益带宽积，以确保反馈配置下的稳定工作。
• 在最小化功耗的同时，优化压摆率和输出电压摆幅。
• 通过引入零点抵消电阻，实现有效的米勒补偿，以稳定放大器并控制相位裕度。
• 在1.8V电源条件下，满足CMRR、ICMR和输出摆幅等严格模拟性能指标。

提出的方法

• 放大器采用两阶段架构，包含差分输入级（M1, M2）和共源极输出级（M6, M7），并通过电流镜（M3–M5, M8）实现偏置。
• 采用米勒补偿，利用2pF补偿电容（Cc）和零点抵消电阻（Rz = 5kΩ）以稳定相位裕度并控制主极点。
• 通过小信号模型推导关键参数：直流增益（Adc = gm1R1 × gm2R2），极点（p1 ≈ 1/(Cc × gm2 × R1 × R2)），以及零点（z1 = gm2/Cc）。
• 设计过程通过迭代优化完成：将Cc设定为2pF，以在相位裕度与压摆率之间取得平衡，gm1和gm2根据GBW = 100MHz和Cc计算得出。
• MOSFET的宽长比通过公式（W/L) = gm² / (μCox × 2ID) 确定，同时考虑ICMR、输出摆幅和余量的约束。
• 利用Cadence Virtuoso进行直流、交流和瞬态仿真，对参数进行优化，以验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在180nm工艺下设计两阶段CMOS运算放大器，以实现高相位裕度（≥60°）和足够的增益带宽积？
• RQ2 补偿电容（Cc）和零点抵消电阻（Rz）的最优值是多少，才能在相位裕度、压摆率和带宽之间实现最佳平衡？
• RQ3 在1.8V电源和低功耗条件下，如何确定MOSFET的W/L比，以满足ICMR、输出摆幅和增益要求？
• RQ4 理论计算结果与仿真结果在增益、带宽和相位裕度方面的一致性如何？
• RQ5 低功耗（≤300μW）运算放大器能否实现高于10V/μs的压摆率和超过800mVpp的输出摆幅？

主要发现

• 所设计的运算放大器相位裕度为61.8°，超过60°的目标值，表明具有良好的稳定性。
• 开环差模增益为67.5dB，略高于60dB（1000V/V）的目标值。
• 单位增益带宽为131.9MHz，超过100MHz的目标值，表明具有优异的频率响应特性。
• 压摆率达到29.7V/μs（上升）和12.6V/μs（下降），上升沿满足10V/μs的要求。
• 输出电压摆幅为936mVpp，超过800mVpp的最低要求。
• 功耗为204μW，远低于300μW的目标值，证明了低功耗设计的有效性。