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图1展示了双极性输入和互补金属氧化物半导体（CMOS）输出级的拓扑结构。
图1：非轨至轨双极性输入和CMOS输出运放的三级拓扑结构
输入级
输入级包括：一个差分对（Q1/Q2）；电流I1、D1和V1 —— 它们可将共模设置为高电平；Rc1和Rc2；可设置次极的C1；作为发射极负反馈的RE1和RE2；EOS —— 一个非反相输入串联的压控电压源。该电压源有好几个组成部分。第一个代表输入偏移电压；第二个与共模抑制比（CMRR）有关联；第三个与电源抑制比（PSRR）有关联，等等。
Ios是一个电流源，它代表运放的输入偏移电流。
中间级包括：一个压控电流源G1，与R1的一个任意值相对应；D3/V3 —— 可设置较高的电压钳位；适用于较低电压钳位的D4/V4；EVp和Evn —— 它们可分别作为D3/V3和D4/V4的电源。EREF是一个压控电压源，可用来生成宏模型的参考节点。最后，用CF和Rz设定一个极点/零点，旨在帮助获得恰当的相位裕度。
输出级是由两个压控电压源与两个晶体管并联组成的。
下一个步骤是为网表推导出必要的方程式，以便开发宏模型。
首先确定I1 —— 来自输入差分对的尾电流。该值可根据所采用的工艺技术而变化。虽然理想情况下工程师可请求从集成电路（IC）设计人员那里获得它，但工程师并非一直拥有这样的选择权；因此，最好将它设置为100μA和1mA之间的任意数。
请将尔利电压VA设置为130，将IS设置为1E-16。Beta表示为BF1，等于I1/2*Ib，其中Ib是来自产品说明书的输入偏置电流值。
如果使用5V的电源，接下来请采用V1 = Vs-Vcm将共模设置为高电平。电压轨提供了1V的共模上限电压，所以请将V1设置为1V。
集电极电阻器RC1和RC2经设置等于0.2（VRC）乘以2再除以I1。
就发射极负反馈电阻器RE1和RE2而言：
RE1 = RE2 =（BF1*RC1-rπ*Avinput） （1）
其中
rπ = [（BF1*VT*2）/I1]，而Avinput = Aol*1000/
（Avout*Avmiddle） （2）
请注意：VT = kT/q，其中k是波尔兹曼常数（1.38E-23）；T是环境温度，以开尔文（K）为单位；q是一个电子的电荷量（1.6E-19）。在300oK时，VT = 25.9或26mv。
输入级的最后一个步骤是探究跨输入差分对的电容器C1：
C1 =（1/2*RC1*p1），其中p1=90-ɸm-fz （3）
在该方程式中，ɸm是来自产品说明书的相位裕度；fz是来自Rz的迟滞分摊量（中间级里的零点），且fz = atan（GBP/fz）（以度数来表示）。
请注意：GBP是运放的单位增益带宽，而fz是在中间级里计算出的零点。
让我们来总结一下我们到此为止所拥有的关于双极性输入级的信息：
网表（宏模型）所需的值：
I1 = 100e-6
VA = 130
IS = 1E-16
BF1 = I1/2*Ib
V1 = Vs-Vcm，高电平
RC1 = RC2 = 2*VRC/I1
可选：RE1 = RE2 =（BF1*RC1-rπ*Avinput）
C1 =（1/2*RC1*p1），其中p1 = 90-ɸm-fz
以下是网表的样子：
* 器件引脚配置顺序 +IN -IN V+ V- OUT
* 器件引脚编号 1 3 5 2 4
* 节点分配
* 非反相输入
* | 反相输入
* | | 正电源
* | | | 负电源
* | | | | 输出
* | | | | |
* | | | | |
.SUBCKT MOCK 1 2 99 50 45
*
* 输入级
*
Q1 3 7 5 PIX
Q2 4 2 6 PIX
RE1 5 8 4E3
RE2 6 8 4E3
RC1 3 50 68.5
RC2 4 50 68.5
I1 99 8 100E-6
C1 3 4 8.44E-13
D1 99 9 DX
V1 9 8 0.9
EOS 7 1 POLY（5）（73,98）（22,98）（81,98）（80,98）（83,98）0.5E-3 11111
IOS 1 2 1.1E-9
请注意：在EOS项中的第一个常数是500μV的输入偏移电压最大值。
中间级
在这一部分，将R1任意设置为1MΩ。可按下列方程式计算出压控电流源G1：
G1 = R1*Cf/（I1*RC1） （4）
请注意：Rc1 = Rc2。
现在需要确定Cf，它被表示为：
Cf = 1/2π* fdom*R1*（Avout+1） （5）
其中fdom是主导极点，被表示为GBP/Aol*sqrt（1+（Aol^2/p1^2））。GBP是运放的单位增益带宽。
p1 = GBP/TAN（90-ɸm-2）
fz = gm5+gm6/2π*Cf
gm5 = sqrt（2*kp*W/L5*Id）
gm6 = sqrt（2*kp*W/L6*Id）
Id = 1/2kp*（W/L5）*（Vdc5-Vt5）*2*（1+ʎ*Vs/2） （6）
其中kp是一个被称为跨导的工艺参数，切勿与gm相混淆。
请注意：gm5和gm6是不同的值，因为W/L5和W/L6是相互独立的，且与每个晶体管的电流增益β（β5和β6）有关联。
最后，按下列规定设置钳位二极管：
V3 = 0.7 + Vs/2-V30max
V4 = 0.7 + Vs/2 + V30min
其中Vs是电源电压。
V30max = 2*Isink*Req-（VDC6-Vt6） （7）
其中Req是电流（汇点电流）为1mA时的输入输出电压差。
V30 min = 2*Isource*Req-（VDC5-Vt5） （8）
在这种情况下，方程式（8）中的Req等于VDO —— 此时电流（源点电流）为1mA。
我们将讨论VDC6-Vt6和VDC5-Vt5在输出级的计算。
中间级增益AVmiddle的计算式为G1*R1*2。
以下是网表的样子：
增益级
G1 98 30（4,6）3.73E-03
R1 30 98 1.00E + 06
CF 30 31 8.1E-10
RZ 45 31 3.91E + 02
V3 32 30 2.14E + 00
V4 30 33 2.08E + 00
D3 32 97 DX
D4 51 33 DX
轨至轨CMOS输出级
如图1所示，输出级由P型和N型MOS晶体管对组成。同样，就双极性设计而言，它也将有一个pnp型管和一个npn型管。
还存在两个压控电压源：用于PMOS和NMOS晶体管的EG1和EG2。
让我们从输出增益Avout开始：
gm5*Req+gm6*RLeq
Req = rds5*RL/rds5+RL （9）
其中RL是负载电阻，而rds5 = 1/ʎ*Id。
请注意：因为对两种晶体管来说ʎ和Id是相同的，所以NMOS的Req和PMOS的Req也是相同的（Req = rds5*RL/rds5+RL）。
W/L5=β5/kp
β5=1/2*Isource*Req*2 （10）
其中Req是电流（对PMOS而言指源点电流；对NMOS而言则指汇点电流）为1mA时的输入输出电压差。
对于NMOS，让我们把方程式改写为：
rds5 = 1/ʎ*Id
W/L6 = β6/kp
β6 = 1/2*Isink*Req*2 （11） |
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