gm/Id的模拟电路设计方法(5)——两级OTA设计
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发布时间：2024-10-23 22:39
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时间：2024-11-07 20:50
本文以两级运算放大器（OTA）电路设计为例，探讨了模拟集成电路设计方法在实际电路设计过程中的应用。设计过程分为两步：首先选择合适的电路结构，然后根据电路指标和计算结果确定器件尺寸，并通过仿真进行迭代优化。
采用最简单的一级电流偏置电路，中间为五管差分输入对，右侧是共源极输出，其中包含一个跨接在第二级输入与输出之间的补偿结构，实现两级OTA设计。
设计指标包括开环直流增益、单位增益带宽积和转换速率，通过调整第一级和第二级电路的gm/Id值来实现。计算公式展示了开环直流增益与gm/Id值、MOS管的沟道长度调制系数之间的关系。
选取器件栅长和gm/Id值，结合MOS管的沟道长度调制系数，调整电路的开环直流增益。单位增益带宽积和转换速率的关系公式，由该指标确定第一级输入管gm/Id的最小范围。同时，根据相位裕度和功耗要求，确定Miller电容和静态电流。
设计中，首先设定开环直流增益作为设计起点，确保电流镜结构电路的匹配性。选择电流源偏置电路的输出电流，计算MOS管的尺寸，并根据电路指标确定静态电流、SR和GBW。设计中使用调零电阻消除第二极点，计算其取值。
确定器件尺寸后，进行仿真验证，对比实际仿真值与设计值的偏差。设计结果与指标对比，发现总体偏差不大，但在某些指标上存在差异。通过调整Miller电容、第一级电路的静态电流和第二级器件尺寸，实现第二次迭代仿真，最终满足设计指标。
设计过程中，理论计算与仿真结果存在一定偏差，考虑寄生效应和单极点系统的等效过程，误差尚可接受。设计方法不仅提供了设计思路，还展示了电路设计与优化的迭代过程，可供其他设计人员参考。
