CMOS恒跨导运算放大器设计

1、中北大学中北大学仪器与电子学院仪器与电子学院汇报人：高瑜宏汇报人：高瑜宏指导老师：朱平指导老师：朱平1 1 跨导运算放大器简介跨导运算放大器简介2 CMOS2 CMOS恒跨导运算放大器设计恒跨导运算放大器设计CMOSCMOS恒跨导运算放大器设计恒跨导运算放大器设计1 跨导运算放大器简介（1 1）概述）概述 跨导运算放大器(Operatinoal Transconductance Amplifier,简称OAT)是一种电压输入、电流输出的电子放大器,是一种电压控制的电流源。跨导放大器的增益是输出电流与输入电压的比值,量纲为电导,单位为西门子(S)。由于跨导放大器内部只有电压一电流变换级和电流传输

2、级,没有电压增益级,因此没有大摆幅电压信号和米勒电容增倍效应,高频性能好,大信号下的转换速率也高,同时电路结构简单,电源电压和功耗都比较低。（2 2）跨导运算放大器模型）跨导运算放大器模型 OTA的符号如图所示,它有两个输入端,一个输出端,一个控制端。符号上的“+”号表示同相输入端,“一”表示反相输入端, 是输出电流, 是偏置电流,即外部控制电流。 OTA的传输特性用下列方程式描述： 其中 输出电流(A)； 是差模输入电压(V)；G是开环增益(S),称为跨导增益。 在小信号下,跨导增益G是偏置电流 的线性函数,其关系式为： h称为跨导增益因子, 称是热电压,在室温条件下(T=300K)下, =

3、26mv,可以计算出h=19.2(1/V)OIBIidOGVVVGI)(OIidVBIBhIG TVkTqh212TVTVOTA的电路符号（3 3）OTAOTA的小信号理想模型的小信号理想模型 根据上式传输特性方程式,可画出OTA的小信号理想模型如图所示。 对于这个理想模型,两个电压输入之间开路,差模输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入电压控制的电流源,输出电阻为无穷大。同时,理想跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、频带宽度等参数均为无穷大,输入失调电压、输入失调电流等参数均为零。OTA的小信号理想模型2 CMOS恒跨导运算放大器的设计（1）设计指标 工作电压： 2.7V 直流开环增益：

4、90dB 相角裕度： 增益带宽积：1.4MHz 负载电容：25pF70（2）运算放大器原理框图 输入级采用互补差分对结构，使共模输入电压范围达到轨到轨，通过3倍电流镜控制尾电流使输入级总跨导恒定。 中间级为增益提高级，通过反馈增大输出阻抗提高增益。 输出级采用AB类结构，通过米勒补偿控制零点使系统稳定，此运放可用于低压低功耗电子设备中。ININoutV跨导运算放大器工作原理（3）输入级电路原理图 M1和M2为对PMOS的差分对管，M3和M4为NMOS差分对管，M5和M8为控制尾电流的开关管。其中，M1和M3接正的输入信号IN+，M2和M4接负的输入信号IN-。 当Vcm接近于Vss时，M1和M

5、2差分对管导通，PMOS电流开关管M8截止，NMOS开关管M5导通，则电流 被M5抽走，经过1:3电流镜M6和M7后注入到 中，为M1和M2提供4倍尾电流； 当Vcm接近于Vdd时，M3，M4和M8导通，M5截止，则尾电流 经开关管M8和1:3电流镜M9和M10给输入管M3和M4提供4倍尾电流； 当Vcm处于中间状态时，互补差分输入管M1，M2，M3，M4均工作，开关管M5和M8均截止，此时只有 和 提供尾电流，从而电路跨导保持恒定。（Vcm为共模输入电压）1refI2refI2refI1refI2refI3倍电流镜输入级电路图（4）增益级 本设计的运算放大器利用反馈增大输出阻抗，实现高直流增

6、益，放大输入级产生的两对差分输入电流 与 ，运算放大器A1和A2为晶体管M14和M18提供电压增益，最终放大的信号驱动输出晶体管M26和M22的栅端。inpinp/ iiinninn/ ii增益提高的AB类运算放大器 增益级简化电路增益级简化电路 本设计采用增益自举式结构，通过反馈增大输出阻抗。如图a，在增益自举式结构中，前跨导级把输入电压转化为输入电流 ，共源共栅晶体管M用于放大电流 ，运算放大器A用来控制M的栅极。变化的电流流经M的沟道和有限的源端阻抗 ，在M的源端产生一个小的变化电压，调制了输入电流 。电路中形成反馈回路，从而A把源端电压固定在参考电压Vref上。这强迫流经源端阻抗 的电

7、流减少，输入电流 全部流入共源共栅晶体管M。所有流入M端的电流再次出现在M端的漏端，此时电路可视为一个极高输出阻抗的理想电流源。iniiniiniini2or2or增益提高简化电路 小信号等效电路 对CMOS增益提高电路进行小信号分析，如图b其中V0为M的源端电极，V1为M的栅源电压差， 为M的漏极输出电压， 为M的漏极输出电流由上式可以得到输出阻抗：而单共源共栅电路的输出阻抗为：电路的小信号分析表明输出阻抗 值增大。20oxrIV100-VVAVxomxVVrVgI011)(xxoutIVZ21) 1(oomoutrrgAZ21 oomrrgoutZ增益提高的小信号等效电路xIxV 输出级输

8、出级 输出级采用AB类结构，增强了电路驱动能力，并提高了电源效率。电容与电阻串联构成米勒补偿，控制波特图右半平面的零点，改善系统稳定性。增益提高的AB类运算放大器 谢谢 ！请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。 微弱信号概述 微弱信号相关检测技术 相关检测的应用锁定放大器请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。请在此输入您的标题 请在此输入您的文本。微弱信

9、号概述微弱信号概述NS)(信号中含有的噪声功率信号功率信噪比SNRiiooNSNS)S(输入端信噪比输出端信噪比信噪改善比NIR微弱信号相关检测技术微弱信号相关检测技术 信号与噪声有本质区别。信号是有规律的，能够重复，其后续信号与早先信号是有关联的，信号可以用一个确定的时间函数来描述;而噪声恰恰相反，不能用一个确定的时间函数来描述。因此，可利用信号自身存在的规律(即相关性）来寻找信号，也可以利用一个与被测信号规律性(二者之间也有相关性）部分相同的已知信号来寻找被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关性原理的基本点。相关检测技术就是根据相关性原理，通过自相关或互相关运算，以最大限度地压缩带宽、抑

10、制噪声，达到检测微弱信号的一种技术。 )()(1lim)()(22TTdttxtxTRRTxx )()(1lim)(22TTdttytxTRTxy )()(1lim)(22TTdttxtyTRTyx tntStfiii)(tfi)(R)(R)(R)(R )()()()( )()()()(1lim )()()()(1lim )()(1lim)(nnnssnss222222222222TTTTTTTTTTTTdttntndttstndttntsdttstsTdttntstntsTdttftfTRiiiiiiiiiiiiii0)()(nssnRR0)(limnnR)()(ssRR tntStf11

11、tStf22)(R)(R )()()(1lim )()(1lim)(2212222s212112nssTTTTTTdttstntsTdttftfTR0)(2nsR)()(2112ssRR四、互相关检测的应用锁定放大器窄带滤波窄带滤波放大放大)(1tU)(2tU)(1tUs)(tUO输入信号参考信号锁定放大器原理锁定放大器理论推导设输入信号：其中， 为随机噪声， 为有用信号，A为其幅值， 角频率为，初相角为参考信号：其中B为幅值， 是时间位移， 为随机噪声，则两者的相关函数为： =由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声N( t)的频率不相关，且有用信号S ( t)与随机噪声 M（t）之间及噪声与噪声之间的频率也均相 互独立，所以它们的相关函数为零 即 = 0,从而令锁相放大器实现了从噪声中提取 有用信号的目的。 )()sin()()()(tNtAtNtStX)(tN)(tS)()sin()(tMtBtY)(tMdttNtAtM