模拟集成电路设计运算放大器

1、西电微电子：模拟集成电路设计第九章运算放大器董刚Email: 2007年9月op ampCh. 9 # 1西电微电子：模拟集成电路设计op ampCh. 9 # 2西电微电子：模拟集成电路设计回顾 反馈系统中负载的影响二端口网络模型电压-电压反馈中的负载电流-电压反馈中的负载电压-电流反馈中的负载电流-电流反馈中的负载op ampCh. 9 # 3西电微电子：模拟集成电路设计二端口线性时不变系统的四种模型a.b.c.d.Z模型Y模型H模型G模型op ampCh. 9 # 4西电微电子：模拟集成电路设计Z模型V1 = Z11 I1 + Z12 I 2V2 = Z 21 I1 + Z 22 I 2

2、返回信号检测信号op ampCh. 9 # 5西电微电子：模拟集成电路设计Y模型I1 = Y11V1 + Y12V2I 2 = Y21V1 + Y22V2返回信号检测信号op ampCh. 9 # 6西电微电子：模拟集成电路设计H模型V1 = H11 I1 + H12V2I 2 = H 21 I1 + H 22V2返回信号检测信号op ampCh. 9 # 7西电微电子：模拟集成电路设计G模型I1 = G11V1 + G12 I 2V2 = G21V1 + G22 I 2返回信号检测信号op ampCh. 9 # 8西电微电子：模拟集成电路设计选择二端网络模型表述反馈网络反馈网络类型电压-电压

3、反馈V1-V2电流-电压反馈I1-V2电压-电流反馈V1-I2电流-电流反馈描述V2=X21V1+X22I2V2=X21I1+X22I2I2=X21V1+X22V2I2=X21I1+X22V2对应模型G模型Z模型Y模型H模型I1-I2op ampCh. 9 # 91西电微电子：模拟集成电路设计电压-电压反馈中的负载（a）G模型（b）简化的G模型（忽略反馈网络的反向增益）Ve = (Vin G21Vout )Z inZ in + G22Vout= A0VeG111Z out + G111VoutVin=A01 + A0Z in G111Z in + G22 Z out + G111Z in G1

4、11Z in + G22 Z out + G11G21op ampCh. 9 # 101V2I 2西电微电子：模拟集成电路设计等效开环增益的计算VoutVin=A01 + A0Zin G111Zin + G22 Z out + G111Zin G111Zin + G22 Z out + G11G21Av ,open= A0Zin G111Zin + G22 Z out + G111G11 =I1V1|I 2 =0G22 = |V1 =0op ampCh. 9 # 11=西电微电子：模拟集成电路设计计算开环增益与闭环增益Av ,openG21 =VY RD1Vin RF | RS + 1 / g

5、 m1RSRS + RF g m 2 RD 2 | ( RF + RS )Av ,closed =Av ,open1 + G21 Av ,openop ampCh. 9 # 12V2V1西电微电子：模拟集成电路设计小结：电压-电压反馈中的负载I1 = G11V1 + G12 I 2V2 = G21V1 + G22 I 2G11 =G22 =I1V1V2I 2|I 2 =0 的输出端开路|V1 =0 的输入端短路 = G21 =|I 2 =0 的输出端开路G11 : 导纳量纲，反馈网络输入端看进去的导纳G22 :电阻量纲，反馈网络输出端看进去的电阻G21 : 无量纲op ampCh. 9 # 1

6、3西电微电子：模拟集成电路设计运算放大器 定义：高增益的差分放大器 用途：实现一个反馈系统 开环增益：由闭环电路的精度决定运算放大器设计是一个不断tradeoff的过程op ampCh. 9 # 14西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述 性能参数 单级运算放大器 两级运算放大器 运算放大器设计要点op ampCh. 9 # 15西电微电子：模拟集成电路设计运算放大器的性能参数增益小信号带宽大信号带宽输出摆幅线性度噪声与失调电源抑止op ampCh. 9 # 1611 1 1 西电微电子：模拟集成电路设计增益 高开环增益： 抑止非线性 =R2R2 + R1理想运放时系统的闭环增益为实际运放

7、A1，系统的闭环增益为 1 1A11 1 A1 若闭环增益为10，要求增益误差小于1，则A1 1000op ampCh. 9 # 17西电微电子：模拟集成电路设计如何实现精确的增益 开环：不能实现 工艺偏差 闭环： 前馈放大器：开环增益A1足够高 反馈放大器：精确匹配1A1 Vth 3 + Vdsat 3 + Vdsat1 + Vdsat 9Vb1 Vth 3 0.7留余量，取Vb1 Vth 3 = 0.8VVb 2 VDD | Vdsat 7 | | Vth 5 | | Vdsat 5 |Vb 2 | Vth 5 | Vdsat 5 + Vdsat 3Vout ,max = Vb 2 + |

8、 Vth 7 |Vout ,max Vdsat 7 + Vdsat 9 留余量Vout ,min = Vdsat 7 + Vdsat 9 + 0.1Vout ,max = Vb 2 + | Vth 3 | Vdsat11 + Vdsat 4Vb2Vb1左图 : Vb 2 VDD VGS 5 VGS 7右图 : Vb 2 Vdsat11 + Vth 4 + Vdsat 4Vb2Vb1Vout ,min = Vb1 Vth 4 Vdsat11 + Vdsat 4Vb 2 VDD Vdsat 5 Vth 7 Vdsat 7Vth 7 = Vth8Vout ,max = Vb 2 + Vth8 3.5

9、V0.1%建立时间 2000工艺参数nCox = 60 A/V 2 p Cox = 30 A/V 2n = 0.1 V -1 (L = 0.5m)p = 0.2 V -1 (L = 0.5m) = 0vthn =| vthp |= 0.7Vop ampCh. 9 # 541西电微电子：模拟集成电路设计单端输出折叠共源共栅运放的设计（2）由0.1%建立时间推GBW0.001Vb2t0.1% = lnAv 00 =1=1lnt0.1%Vb1GBW = Av 0 f 0 =1ln2 t0.1%ln10002 3.14 50 109= 22MHz考虑20余量，取GBW = 27MHzop ampCh.

10、 9 # 55Vb1西电微电子：模拟集成电路设计单端输出折叠共源共栅运放的设计（3）由GBW确定各支路电流Av 0 = g m1 RoutVb2f d =12Rout CLGBW = Av 0 f d =g m12CL g m1 = 2CL GBW 0.34msI D1 =g m1Vdsat12= 34uA因此电流分配如下I M 9 = 68uAI M 5 = I M 6 = 34uAop ampCh. 9 # 56Vb2西电微电子：模拟集成电路设计单端输出折叠共源共栅运放的设计（4）过驱动电压选取经验放大管：200mV负载管：200 500mV尾电流管：300 500mVVb1确定各管过驱动

11、电压M 1、M 2 : 200mVM 10、M 11 : 300mVM 3、M 4 : 200mVM 5M 6 : 300mVop ampCh. 9 # 57Vb2西电微电子：模拟集成电路设计单端输出折叠共源共栅运放的设计（5）由输出摆幅要求确定Vb1、Vb 2Vout ,min = Vb1 Vth 4Vout ,min Vdsat 4 + Vdsat11 = 0.5VVout ,max = Vb 2 + | Vth8 |Vout ,max VGS 3Vdsat 2辅助放大器减小了输出摆幅Rout g m 3 ro 3 g m 2 ro 2 ro1Av = g m1 Rout g m1 (g

12、m 3 ro 3 g m 2 ro 2 ro1 )op ampCh. 9 # 67西电微电子：模拟集成电路设计增益的提高（3）共源共栅差分对中增益的提高(a) : 使用两个独立的辅助放大器(b) : 使用全差分辅助放大器(c) : 辅助放大器的实现方式I1、I 2、M 5、M 6、I SS 2缺点：输出摆幅VX VGS 5 + Vdsatop ampCh. 9 # 68西电微电子：模拟集成电路设计增益的提高（4）折叠共源共栅差分放大器用做辅助放大器VX 允许的最小电压为Vdsat1 + Vdsat不受辅助放大器限制op ampCh. 9 # 69西电微电子：模拟集成电路设计增益的提高（5）折叠

13、共源共栅用做辅助放大器输出阻抗的计算辅助放大器的增益A1A1 g m 5 (g m 7 ro 7 (ro 9 | ro 5 ) | g m11ro11ro13 )Rout A1 g m 3ro 3ro1op ampCh. 9 # 70西电微电子：模拟集成电路设计增益的提高（6）A1 : PMOS差分输入;A2 : NMOS差分输入为何？保障最大输出摆幅！op ampCh. 9 # 71西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率（压摆率）电源抑止噪声op ampCh. 9 # 72西电微电子：模拟集成电路

14、设计性能比较没有一个结构是完美的满足应用要求的结构就是最合适的结构op ampCh. 9 # 73西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率（压摆率）电源抑止噪声op ampCh. 9 # 74西电微电子：模拟集成电路设计为什么需要共模反馈？理想情况：I 7 + I8 = I 9实际：工艺偏差、沟道长度调制I 7 + I8 I 9若I 7 + I8 I 9VX 、VY 上升，使M 5 M 8退出饱和若I 7 + I8 (Vout , max Vout , min )缺点二：摆幅Vout , min =

15、VGS 7 + Vdsatop ampCh. 9 # 782WL|WLLWL=西电微电子：模拟集成电路设计检测共模输出电压的方法（3）：深线性区电阻M 7、M 8工作于深线性区I D = nCoxW L (VGS Vth )VDS 1 VDS 2 nCoxWL(VGS Vth )VDSRon =1nCox (VGS Vth )从P看进去的电阻为Rtot = Ron 7 | Ron81 1nCox (Vout1 Vth ) nCox W (Vout 2 Vth )1nCox (Vout1 + Vout 2 2Vth )须保证M 7、M8在深线性区！输出范围受限op ampCh. 9 # 79西电

16、微电子：模拟集成电路设计CM电平与参考电平的比较与误差返回（1）负反馈：Vout1、Vout 2增加 VE 增加 Vout1、Vout 2降低op ampCh. 9 # 80西电微电子：模拟集成电路设计CM电平与参考电平的比较与误差返回（2）负反馈：控制尾电流op ampCh. 9 # 81dVout ,CM VGS 7 Vth 7西电微电子：模拟集成电路设计CM电平与参考电平的比较与误差返回（3）负反馈：Vout1、Vout 2增加 I M 7、I M 8增加 Vout1、Vout 2降低缺点：Vout ,CM 随Vb 变化，dVb VDS 7op ampCh. 9 # 82西电微电子：模拟

17、集成电路设计CM电平与参考电平的比较与误差返回（4）使共模输出电平不受器件参数影响并降低对Vb的敏感度op ampCh. 9 # 83西电微电子：模拟集成电路设计CM电平与参考电平的比较与误差返回（5）前一页电路的改进提高I M 5与I M 9的匹配op ampCh. 9 # 84西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率（压摆率）电源抑止噪声op ampCh. 9 # 85西电微电子：模拟集成电路设计单位增益缓冲器与输入范围限制NMOS差分对，输入下限：Vdsat + VGSPMOS差分对，输入上限：

18、VDD VGS Vdsatop ampCh. 9 # 86西电微电子：模拟集成电路设计Rail-to-rail运放（1）同时使用NMOS差分对与PMOS差分对op ampCh. 9 # 87西电微电子：模拟集成电路设计Rail-to-rail运放（2）g m并非恒定：GBW、增益等均变化op ampCh. 9 # 88西电微电子：模拟集成电路设计Rail-to-rail运放（3）op ampCh. 9 # 89西电微电子：模拟集成电路设计Rail-to-rail运放（4）op ampCh. 9 # 90西电微电子：模拟集成电路设计Rail-to-rail运放（5）op ampCh. 9 # 9

19、1西电微电子：模拟集成电路设计Rail-to-rail运放（6）op ampCh. 9 # 92西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率（压摆率）电源抑止噪声op ampCh. 9 # 93tRC=e= e西电微电子：模拟集成电路设计转换速率（1） 大信号特性； 来源 运放对节点的充放电受充放电电流限制 系统对大阶跃信号的响应，不能用小信号描述因为Vout = V0 (1 e )所以tdVout V0 RCdt RCI out = CtdVout V0 RCdt Rop ampCh. 9 # 94=R

20、2 1 +12A A R2 1 + A 西电微电子：模拟集成电路设计转换速率（2）A Vin R2R1 + R2RoutVout VoutVoutR1 + R2+ Vout CL s通常R1 + R2 RoutVoutVin(s) A R + R A 1 + s1 +Rout CL R2 R1 + R2 Vout (t )V0 1 exp( R1 + R2 (1 +R2R1 + R2Rout CLA)t ) u(t )dVout (t )dt=AV0Rout CLexp(1 +R2R1 + R2Rout CLA)t)u(t ) 输入幅值增加，I out 相应增加op ampCh. 9 # 95

21、西电微电子：模拟集成电路设计转换速率（3） 理想运放：Vout正比于输入阶跃信号 真实运放：Vout受限 单级运放的最大充放电电流ISSop ampCh. 9 # 96西电微电子：模拟集成电路设计转换速率(4)op ampCh. 9 # 97西电微电子：模拟集成电路设计转换速率(5)op ampCh. 9 # 98+西电微电子：模拟集成电路设计转换速率与小信号建立（1）tSR VOUTSRt0.1%ln 10002GBWttotal tSR + t0.1% VOUT 1.1SR GBWop ampCh. 9 # 99=西电微电子：模拟集成电路设计转换速率与小信号建立（2）SR =I SSCLt

22、SR V CLSR I SSV2I D1GBW =g m1 Vdsat1 I SS2CL 2CL 2CLVdsat1t0.1%ln1000 CL2GBW I SS(6.9 Vdsat1 )当V 6.9Vdsat1时，tSR t0.1%结论：若V 6.9Vdsat1，ttotal t0.1% ;否则，ttotal 必须考虑tSR的贡献ttotal CLI SS(V + 6.9 Vdsat1 )op ampCh. 9 # 100西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率（压摆率）电源抑止噪声op ampCh

23、. 9 # 101PSRR =西电微电子：模拟集成电路设计电源抑止比的定义输入到输出的增益AV 0电源到输出的增益AV ,VDDAV 0 g m 2 (ro 2 | ro 4 )开环运放，Vout = VXAV ,VDD 1PSRR g m 2 (ro 2 | ro 4 )op ampCh. 9 # 102C2西电微电子：模拟集成电路设计反馈电路的PSRR先求闭环增益AV ,cl再求AV ,VDD=dVoutdVDDPSRR =AV ,clAV ,VDD公式9.44，英文版表达式有误PSRR (1 + )( g m 2 ro 4C1C1 + C2C1+ 1) g m 2 ro 4op ampC

24、h. 9 # 103西电微电子：模拟集成电路设计本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率（压摆率）电源抑止噪声op ampCh. 9 # 104V 22Hz222、西电微电子：模拟集成电路设计关于噪声注意：书上关于噪声的描述vn：噪声谱密度，其量纲为in：噪声谱密度，其量纲为A2Hz更确切的描述应该是d vn d indf dfop ampCh. 9 # 105西电微电子：模拟集成电路设计电流源负载的共源电路的热噪声为了降低这种电路的噪声，应提高Vdsat 2why ? g m 2 =2I DVdatop ampCh. 9 # 106西电微电子：模拟集成电路设计共源共栅电路的热噪声低频情况下，共栅管几乎不贡献噪声！op ampCh. 9 # 107西电微电子：模拟集成电路设计折叠共源共栅电路的热噪声为了降低这种电路的噪声，应提高 Vdsat 3op ampCh. 9 # 108西电微电子：模拟集成电路设计电流镜的热噪声为了降低这种电路的噪声，应提高Vdsatop ampCh. 9 # 109西电微电子：模拟集成电路设计差分对的热噪声为了降低这种电路的噪声，应提高负载管的Vdsatop ampCh. 9 # 110 g m 7