米勒 CMOS 运算跨导放大器 (Miller CMOS OTA)
- 一级CMOS 运算跨导放大器
图1 一级CMOS 运算跨导放大器
晶体管设置：
N型管: L/W=1u/50u, P型管: L/W=1u/100u,
CL= 1pF ; Vdc=600m, Vin1=600m, Vin2=10uv (AC)+600mv， Vdd=1.2v
图2 一级CMOS 运算跨导放大器静态工作点
查阅各晶体管工作状态和参数，发现晶体管PM2 处于1区, 即晶体管的放大区，这个状态不是我们所希望的状态；其余的晶体管都处于2区, 即晶体管的饱和区, 这是我们所需要的状态。
从图3 中可以得到： 增益G=40.2 dB, 增益带宽积GBW= 211MHz, 相位P= – 116 Deg
图3 一级CMOS 运算跨导放大器的增益, 增益带宽积和相位
调整设置Vdc=800mv, 晶体管PM2 和其余的晶体管都处于2区，调试工作完成，各参数如下图所示：
图4 一级CMOS 运算跨导放大器静态工作点
从图5 中可以得到： 增益G=43.05 dB, 增益带宽积GBW= 91.7MHz, 相位P= – 108 Deg
图5 一级CMOS 运算跨导放大器的增益, 增益带宽积和相位
与之前的模拟结果相比，总电流从355uA 降到 88uA，大幅下降，即功耗大大降低，但所带来的负面影响是增益带宽积也急剧减小。
根据图1中的公式：
GBW= gm1/2π(CL+Cn), Cn= 1/3CL= 0.33pF ; CL= 1pF, gm1= 771u
GBW= 771u/(2×3.14×1.33pF)= 92.3MHz, 与模拟结果91.7MHz 非常接近!
改变负载电容CL从1p 设置成 2pF：
从下图可以看到，负载电容改变前后, 增益带宽积GBW 由原来的 91.7MHz, 降到 53MHz。
同样由公式；GBW= gm1/2π(CL+Cn), Cn不变，即仍是 0.33pF，CL 现在是 2pF：
GBW= 771u/(2×3.14×2.33pF)= 52.6MHz, 与模拟结果53MHz 非常接近!
图6 负载电容改变前后一级CMOS 运算跨导放大器的增益, 增益带宽积和相位
改变负载电容CL从1pF 设置成 0.5pF：
从下图可以看到，负载电容改变前后, 增益带宽积GBW 由原来的 91.7MHz, 增加到 140.6 MHz。
同样由公式；GBW= gm1/2π(CL+Cn), Cn不变，即仍是 0.33pF, CL 现在是 0.5pF：
GBW= 771u/(2×3.14×0.83pF)= 147.9MHz, 与模拟结果140.6MHz 接近!
图7 负载电容改变前后一级CMOS 运算跨导放大器的增益, 增益带宽积和相位
负载电容改变CL= 0.1pF, 模拟结果如下图，总电流保持不变，GBW= 255.1MHz;
同样由公式；GBW= gm1/2π(CL+Cn), Cn不变，即仍是 0.33pF，CL 现在是 0.1pF：
GBW= 771u/(2×3.14×0.83pF)= 285.5MHz, 与模拟结果255.1MHz 相差较多；可能原因是由于负载电容变的很小，假设 Cn不变与实际情况有较大的误差。
图8 负载电容改变前后一级CMOS 运算跨导放大器的增益, 增益带宽积和相位
作为一级CMOS 运算跨导放大器，总电流88.8 uA 有些高，我们可以通过调整晶体管的长宽比来调节总电流。
将晶体管PM2 晶体管的长宽比由原来的 1u/100u 调整到 1u/10u，由下面的仿真结果可以看出，总电流由原来的 88.8uA 降低到 8.88uA! 即总电流在晶体管的长度不变的情况下，与其宽度成正比！或者说，与晶体管的宽长比成正比。
根据图1中的公式：
GBW= gm1/2π(CL+Cn), Cn= 1/3CL ; CL= 1pF, gm1= 110.7u
GBW= 110.7u/(2×3.14×1.33pF)= 13.2 MHz, 与模拟结果13.3MHz 非常接近!
图9 通过调整晶体管的长宽比来调节总电流
从图3 中可以得到： 增益G=44.2 dB, 增益带宽积GBW= 13.3MHz, 相位P= – 108.2 Deg
由此可以看到；减小总电流，放大电路的增益略有增加，但增益带宽积显著下降；因此在设计放大电路时，可以在增益，带宽和功耗几个参数之间取折衷。
图10 调整晶体管的长宽比后的增益, 增益带宽积和相位
要将总电流 10uA, 通过计算，晶体管的长度保持不变，宽度为w=100ux10uA/88.8uA=11.3u；
从下图的仿真结果可以看到，总电流为 10.04uA，基本就是我们的目标值。
图11 通过调整晶体管的长宽比来调节总电流
根据图1中的公式：
GBW= gm1/2π(CL+Cn), Cn= 1/3CL ; CL= 1pF, gm1= 123.9u
GBW= 123.9u/(2×3.14×1.33pF)= 14.8 MHz, 与模拟结果14.3MHz 非常接近!
图12 调整晶体管的长宽比后的增益, 增益带宽积和相位
2. 米勒 CMOS 运算跨导放大器 (Miller CMOS OTA)
图13 米勒CMOS 运算跨导放大器
晶体管设置：
N型管: L/W=1u/50u, P型管: L/W=1u/100u, PM3单独设置：L/W=5u/90u
CL= 1pF ; Vdc1=800mv, Vdc2=900mv, Vin1=600mv, Vin2=10uv (AC)+600mv，Vdd=1.2v
通过上述设置，所有的晶体管都处于饱和区，即我们所需要的区域，设置完成!
该设置的不足之处，是晶体管PM2和PM3 分别是由不同的直流电压偏置，即不同的偏置电压，尝试设置为相同的偏置电压，但通过调节晶体管的参数，调节偏置电压值等方法，都不能达到需要的效果，因此暂时就这样，在之后的实操中，随着尝试更多的放大电路结构，有可能会找到解决方案。
图 14 米勒 CMOS 运算跨导放大器静态工作点 (未加米勒电容)
图15 米勒 CMOS 运算跨导放大器第一级，第二级和整体的增益, 增益带宽积和相位
将米勒补偿电容 Cc=300fF 添加在放大电路中，比较图14 和图16 可以看出，晶体管各参数，如gm, Vth等，以及静态工作点，增益等都没有变化，从放大器理论可知，其对带宽和相位有影响，对放大电路的稳定性也有影响，因此通过该补偿电容来稳定放大电路。
图16 米勒 CMOS 运算跨导放大器静态工作点 (加米勒电容)
图17 米勒 CMOS 运算跨导放大器第一级，第二级和整体的增益, 增益带宽积和相位
将单独整体跨导运放的仿真结果从图18中可以得到： 增益G=86.5 dB, 增益带宽积GBW= 2.73MHz, 相位P= 77.13 Deg
图18 米勒 CMOS 运算跨导放大器的增益, 增益带宽积和相位
改变米勒补偿电容 Cc 由原来的300fF 设置为 100fF , 将两种情况的仿真结果在下图中做对比，可以看出增益, 增益带宽积变化很小，而相位变化很大，正如之前提及的，通过补偿电容来调节放大器的相位裕度，从而提高稳定度。
图19 米勒 CMOS 跨导运放增益, 增益带宽积和相位 ( Cc= 100fF/ 300fF)
继续改变米勒补偿电容 Cc，设置为 600fF , 将两种情况的仿真结果在下图中做对比，可以看出增益, 增益带宽积变化很小，而相位变化很大，正如之前提及的，通过补偿电容来调节放大器的相位裕度，从而提高稳定度。
下图的增益G=86.5 dB, 增益带宽积GBW= 2.73MHz, 相位P= -14 Deg
图20 米勒 CMOS 跨导运放增益, 增益带宽积和相位 ( Cc= 600fF/ 300fF)
改变负载电容 CL由原来的1pF 设置为 2pF, 将两种情况的仿真结果在下图中做对比，可以看出增益不变, 增益带宽积随着负载电容的增大略有减小，，而相位有变化，但变化幅度与改变补偿电容无法相比，加之负载电容在电路确定后，一般不容易改变，所以不会通过改变负载电容来调节放大器的相位裕度。
下图的增益G=86.5 dB, 增益带宽积GBW= 2.2 MHz, 相位P= -7.2 Deg
图21 米勒 CMOS 跨导运放增益, 增益带宽积和相位对比 ( CL= 1pF/ 2pF)
负载电容 CL设置为 0.5pF, 从下图可以看到，各静态工作点，晶体管参数，总电流等均保持不变。
图22 米勒CMOS 运算跨导放大器静态工作点 ( CL=0.5pF)
图23 米勒 CMOS 跨导运第一级，第二级和整体的增益, 增益带宽积和相位 ( CL=0.5pF)
负载电容 CL分别为为 0.5pF/1pF/ 2pF, 将这三种情况的仿真结果在下图中做对比，可以看出增益不变, 增益带宽积随着负载电容的增大略有减小，而相位相对变化较大。
图24 米勒 CMOS 跨导运放增益, 增益带宽积和相位对比 ( CL= 0.5pF/1pF/ 2pF)
增加一接地电容 Cn1=100fF, 为补偿电容Cc的三分之一。
图25 加接地电容后米勒CMOS 运算跨导放大器静态工作点
图26 加接地电容后米勒 CMOS 运算跨导放大器增益, 增益带宽积和相位
接地电容 Cn1 设置为1p, 是补偿电容 Cc 的三倍;
下图分别是Cn1 设置为100fF, 300fF 和1pF 三种情况的对照图，分别对应： GBW; 2.75MHz ， 2.74和 2.65 ; 增益和相位看不出变化。
图 27 不同接地电容下米勒 CMOS 跨导运放, 增益带宽积和相位 ( 100fF/300fF/1pF )
最后改变交流输入电压，由原来的 10uA 变为 50uA, 通过仿真发现，各晶体管静态工作点，参数，总电流，增益，相位等均保持不变；由于没有变化，放大器的静态工作点，增益, 增益带宽积和相位的仿真图在这里就省略了。