《运算放大器》ppt课件

1、运算放大器运算放大器概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数1输入特性参数输入特性参数输入失调电压输入失调电压VOS当运算放大器输出直流电压当运算放大器输出直流电压Vo0时，在运时，在运算放大器的输入端之间所加的直流补偿电算放大器的输入端之间所加的直流补偿电压。压。VOS是标志运算放大器对称性的一是标志运算放大器对称性的一个重要参数，它的大小对于个重要参数，它的大小对于MOS输入级输入级在在1几十几十mV左右。对于高精度、低漂左右。对于高精度、低漂移型运算放大器而言，移型运算放大器而言，VOS在在0.5mV以以下，甚至为下，甚至为uV数量级。数量级。概述运算放大器的主要参数概述运算放大

2、器的主要参数o输入失调电流输入失调电流IOSo当运算放大器的输出直流电压为零时，两个输当运算放大器的输出直流电压为零时，两个输入端所需的偏置电流的差值：入端所需的偏置电流的差值：IOSIBIB。普通。普通IOS为为IB的的520%。o输入偏置电流输入偏置电流IBo当运算放大器在补偿了失调电压，使其输出电当运算放大器在补偿了失调电压，使其输出电压压Vo=0时，运放两输入端所需电流的平均值。时，运放两输入端所需电流的平均值。即即IB为同相端输入电流与反相端输入电流的绝为同相端输入电流与反相端输入电流的绝对值之和的一半。对值之和的一半。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o输入失调电压温

3、度系数输入失调电压温度系数dVOS/dTo运算放大器在规定任务温度范围内，环境温运算放大器在规定任务温度范围内，环境温度每改动一度所引起的输入失调电压的变化度每改动一度所引起的输入失调电压的变化量。由于失调电压并不是温度的线性函数，量。由于失调电压并不是温度的线性函数，所以普通用下式进展计算：所以普通用下式进展计算：oo上式中上式中VOSmax、VOSmin分别分别为在为在T1T2范围内失调电压的最大值、最范围内失调电压的最大值、最小值。小值。12minmax)()(TTVVTVOSOSOS 概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o输入失调电流的温度系数输入失调电流的温度系数dIOS

4、/dTo运算放大器在规定任务温度范围内环境运算放大器在规定任务温度范围内环境温度每改动一度所引起的输入失调电流温度每改动一度所引起的输入失调电流的变化量。的变化量。o差模输入阻抗差模输入阻抗Zido运算放大器在线性区任务时，两差模输运算放大器在线性区任务时，两差模输入电压变化入电压变化vid与其对应的差分电流变化与其对应的差分电流变化iid之比，即之比，即Zid=vid/iid。在低频任务。在低频任务时，时，Zid可用电阻可用电阻Rid来表示，而在高频来表示，而在高频任务时，那么可用任务时，那么可用Rid与与Cid并联表示。并联表示。 概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o共模输入

5、阻抗共模输入阻抗Zico运算放大器在共模输入时运放输入端对运算放大器在共模输入时运放输入端对地呈现的阻抗。在低频任务时可用地呈现的阻抗。在低频任务时可用Ric表表示，定义为：示，定义为：oo o普通情况下，对于普通情况下，对于MOS运算放大器而言，运算放大器而言，Ric与与Rid近似相等近似相等(而对于双极型而言，而对于双极型而言，Rid要比要比Ric小得多小得多)。0)(2 idVBBicicIIddVR概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o最大共模输入电压最大共模输入电压Vico使运算放大器的共模抑制比比规定共使运算放大器的共模抑制比比规定共模电压下的共模抑制比下降模电压下的共

6、模抑制比下降6dB时时加在输入端的共模输入电压。加在输入端的共模输入电压。o最大差模输入电压最大差模输入电压Vido运算放大器两输入端所能接受的最大运算放大器两输入端所能接受的最大电压。电压。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o输入噪声电压输入噪声电压viN或电流或电流iiNo除信号电压电流之外，电路器件所除信号电压电流之外，电路器件所产生的任何交流的干扰电压电流的产生的任何交流的干扰电压电流的输出都称为电路噪声，该噪声折算到输输出都称为电路噪声，该噪声折算到输入端称为输入噪声，在入端称为输入噪声，在MOS运放中主要运放中主要是是1/f噪声与热噪声。运算放大器的输入噪声与热噪声。

7、运算放大器的输入噪声决议了运放所能合理处置的最小信噪声决议了运放所能合理处置的最小信号电平，必需思索噪声与输出摆幅间的号电平，必需思索噪声与输出摆幅间的折衷。折衷。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o电源抑制电源抑制o反映运放对电源噪声的抑制才干，普反映运放对电源噪声的抑制才干，普通全差分构造具有很好的电源抑制。通全差分构造具有很好的电源抑制。它的计算普通定义为：它的计算普通定义为：10/)()( oVDDioDDodVVVVAPSRR 概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数2 转移特性参数转移特性参数开环直流低频电压增益开环直流低频电压增益Avd运算放大器任务在线性区

8、时，输出电压运算放大器任务在线性区时，输出电压变化与差分输入电压变化的比值：变化与差分输入电压变化的比值： 普通用普通用dB表示，即定义为：表示，即定义为：20logAvd。0 icVidovddVdVA概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o共模抑制比共模抑制比CMRRo 运算放大器差模电压增益运算放大器差模电压增益Avd与共模电压增益与共模电压增益Avc之比：之比：ooo CMRR是标称运算放大器的一个不对称参数，是标称运算放大器的一个不对称参数，且有：且有：oo o 另外，另外，CMRR也是频率的函数，频率上升那么也是频率的函数，频率上升那么CMRR下降，普通情况下下降，普通情

9、况下CMRR均指低频而言，高精度均指低频而言，高精度的的CMRR可达可达100120dB。vcvdAACMRRlog20 CMRRAAdVdVvdvcicOS1 概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数3输出特性：输出特性：最大输出电流最大输出电流IOm 运算放大器在最大输出峰峰电压运算放大器在最大输出峰峰电压VoPP下所能提供的最大输出电流。下所能提供的最大输出电流。输出短路电流输出短路电流IoS 运算放大器在同相端输入规定的直流电压运算放大器在同相端输入规定的直流电压而使输出到达最大值时，输出端对地的短路电而使输出到达最大值时，输出端对地的短路电流。大小主要与输出级的维护电路有关。

10、流。大小主要与输出级的维护电路有关。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o开环输出阻抗开环输出阻抗Zoo 在开环形状下，运算放大器任务于线在开环形状下，运算放大器任务于线性区时，运放的输出电压与对应的电流变化性区时，运放的输出电压与对应的电流变化之比。在低频时，可用电阻之比。在低频时，可用电阻Ro来表示。来表示。o开环差分增益开环差分增益Aivo 运放的开环差分增益决议了运用运放运放的开环差分增益决议了运用运放作为反响系统的精度。如前所述，根据运用作为反响系统的精度。如前所述，根据运用其所需增益能够有四个数量级的变化。其所需增益能够有四个数量级的变化。概述运算放大器的主要参数概述运

11、算放大器的主要参数o输出压摆输出压摆o 指运算放大器的输出电压的最大范围，大指运算放大器的输出电压的最大范围，大多数带有运放的系统需很大的压摆以顺应宽范围多数带有运放的系统需很大的压摆以顺应宽范围的信号幅度。由于输出压摆与其它性能目的之间的信号幅度。由于输出压摆与其它性能目的之间存在着相互权衡的关系，在现代运放设计中到达存在着相互权衡的关系，在现代运放设计中到达大摆幅是相当有挑战性的。大摆幅是相当有挑战性的。o线性与谐波失真线性与谐波失真o 开环运放具有相当大的非线性，在许多反开环运放具有相当大的非线性，在许多反响电路中，决议开环增益的要素是线性的要求而响电路中，决议开环增益的要素是线性的要求

12、而非增益误差。非增益误差。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数4频率特性频率特性输出电压转换速率输出电压转换速率Sr 也称为压摆率，指运算放大器在闭环增益为也称为压摆率，指运算放大器在闭环增益为1时，时，在额定条件下，当输入为大信号阶跃脉冲时，输出电在额定条件下，当输入为大信号阶跃脉冲时，输出电压的最大变化率。反映了运放对于恣意输入波形的大压的最大变化率。反映了运放对于恣意输入波形的大信号瞬态特性。普通运放的转换速率为信号瞬态特性。普通运放的转换速率为0.52V/us，高速运放可达高速运放可达10100V/us。建立时间建立时间ts 当运放闭环增益为当运放闭环增益为1时，在额定负载

13、下输入阶跃时，在额定负载下输入阶跃大信号，输出电压到达规定精度的所需求的时间。大信号，输出电压到达规定精度的所需求的时间。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o全功率带宽全功率带宽fpo 运算放大器闭环增益为运算放大器闭环增益为1时，在额定时，在额定负载下输入正弦信号后，在规定失真下，输负载下输入正弦信号后，在规定失真下，输出电压到达最大幅度出电压到达最大幅度Vop时的最高频率。时的最高频率。o3dB带宽带宽o 指运放的开环电压增益指运放的开环电压增益Avd的半功率的半功率点的频率，即运放的开环增益下降到低频电点的频率，即运放的开环增益下降到低频电压增益的时所对应的频率。这是运放小

14、信号压增益的时所对应的频率。这是运放小信号任务时的频率特性。任务时的频率特性。概述运算放大器的主要参数概述运算放大器的主要参数o单位增益带宽单位增益带宽fuo 运放的开环增益下降到运放的开环增益下降到0dB1倍时倍时所对应的频率，即为运放小信号任务时的频率所对应的频率，即为运放小信号任务时的频率特性。特性。o大信号带宽大信号带宽o 反映运算放大器的输入为大信号时的频反映运算放大器的输入为大信号时的频率特性，运放的频率特性中，小信号频率特性率特性，运放的频率特性中，小信号频率特性和大信号频率特性之间不存在对应关系，有些和大信号频率特性之间不存在对应关系，有些要求小信号带宽，但大信号特性很差，需根

15、据要求小信号带宽，但大信号特性很差，需根据运放在系统中的作用和要求来定。运放在系统中的作用和要求来定。 概述分析运算放大器的普通概述分析运算放大器的普通步骤步骤o普通运算放大器有以下几个部分构成：输入级、增普通运算放大器有以下几个部分构成：输入级、增益级、输出级等构成，以下图示了普通运放的主要益级、输出级等构成，以下图示了普通运放的主要构成及其各部分的主要作用。运算放大器又可分为构成及其各部分的主要作用。运算放大器又可分为单级运放、二级运放、多级运放等。单级运放、二级运放、多级运放等。概述分析运算放大器的普通概述分析运算放大器的普通步骤步骤o分析运算放大器的普通步骤为：分析运算放大器的普通步骤

16、为：o划分并分析一切的偏置电路即偏置电压与偏置电流；划分并分析一切的偏置电路即偏置电压与偏置电流；划分并分析一切的维护电路，并可先忽略它们的影响。划分并分析一切的维护电路，并可先忽略它们的影响。o计算一切的任务电流与电压。计算一切的任务电流与电压。o根据输入信号定义电路模块：放大器、缓冲器、电平移根据输入信号定义电路模块：放大器、缓冲器、电平移位电路以及输出驱动电路等。位电路以及输出驱动电路等。o计算运算放大器的低频增益。计算运算放大器的低频增益。o分析其补偿电路。分析其补偿电路。o计算高频呼应。计算高频呼应。o采用采用SPICE进展仿真以得到其性能参数。进展仿真以得到其性能参数。 单级运放单

17、级运放全差分单级运算放大器全差分单级运算放大器o全差分单级运算放大器是指其输入与输出都采用了差分方式，全差分单级运算放大器是指其输入与输出都采用了差分方式，这里主要引见根本差分放大器、伸缩式级联放大器以及折叠这里主要引见根本差分放大器、伸缩式级联放大器以及折叠式级联放大器。式级联放大器。o1根本的全差分单级运算放大器根本的全差分单级运算放大器o单级全差分运算放大器的根本单级全差分运算放大器的根本o电路如右图所示。电路如右图所示。o图中图中M1、M2、M3、M4及电流及电流o 源源IS构成了一个差分放大器，构成了一个差分放大器，o 而而M5及电流源及电流源IR那么为差分放大那么为差分放大o 器的

18、负载管器的负载管M3、M4提供偏置。提供偏置。 全差分单级运算放大器全差分单级运算放大器o该运放的开环差分增益为：该运放的开环差分增益为：oo 式中式中gm1,3是指是指M1或或M3的跨导，的跨导，ro1,2、ro3,4分别为分别为M1或或M2的输出电阻、的输出电阻、M3或或M4的输出电的输出电阻。阻。o开环共模增益为：开环共模增益为：oo 式中式中1,2gmb1,2/gm1,2。o共模抑制比：共模抑制比：)(4,32, 12, 1oomdrrgA oocrrA)1(22, 14,3 oooomrrrrgCMRR)1(2)(2, 14,34,32, 12, 1 伸缩式共源共栅运算放大器伸缩式共

19、源共栅运算放大器 o伸缩式共源共栅运算放伸缩式共源共栅运算放o大器的构造如第五章中大器的构造如第五章中o引见的伸缩式共源共栅引见的伸缩式共源共栅o放大级根本一致。放大级根本一致。o这种运算放大器的一个这种运算放大器的一个o明显缺陷是很难以输入明显缺陷是很难以输入o输出短接方式实现单位输出短接方式实现单位o增益缓冲器。增益缓冲器。折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器 o在上图中，假设输入管采用相反极性的在上图中，假设输入管采用相反极性的MOS管来构成级联运算放大器，称之为折管来构成级联运算放大器，称之为折叠运算放大器，如以下图所示。叠运算放大器，如以下图所示。折叠式级联运算放大器折叠式级联运

20、算放大器o上图所示的折叠式运算放大器电路，必需保证一切上图所示的折叠式运算放大器电路，必需保证一切MOS管都任务于饱和区以确保高增益。管都任务于饱和区以确保高增益。o开环最低输出电压为：开环最低输出电压为：Vo,min=Vdsat3+Vdsat5；o最高输出电压为最高输出电压为Vo,max= VDD(|Vdsat7|Vdsat9|)；o即开环输出电压摆幅为：即开环输出电压摆幅为：VDD(Vdsat3Vdsat5|Vdsat7|Vdsat9|)。o其开环输入压摆比伸缩式级联运算放大器要大得多，其开环输入压摆比伸缩式级联运算放大器要大得多，其最小输入电压可为其最小输入电压可为0V。o缺陷：保证较小

21、寄生电容时，要求缺陷：保证较小寄生电容时，要求M5与与M6的过的过驱动电压增大以提供大电流。驱动电压增大以提供大电流。折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o伸缩式级联运算放大器与折叠式级联放大器伸缩式级联运算放大器与折叠式级联放大器存在两个重要差别：存在两个重要差别：o在伸缩式级联运放中一个偏置电流在伸缩式级联运放中一个偏置电流IS供应供应输入三极管及级联器件，而折叠式级联运放输入三极管及级联器件，而折叠式级联运放中输入对管需求一个额外偏置电流，且有中输入对管需求一个额外偏置电流，且有 IS1IS/2ID3，因此折叠级联构造普，因此折叠级联构造普通有较高功耗。通有较高功耗。o在伸缩式级联运

22、放中，其输入共模电平不能在伸缩式级联运放中，其输入共模电平不能大于大于Vb1VGS3Vth1，而在折叠式级，而在折叠式级联运放中，不能小于联运放中，不能小于Vb1VGS3|VthP|，因以后一种电路可以设计成单位，因以后一种电路可以设计成单位缓冲器，并可忽略摆幅的影响。缓冲器，并可忽略摆幅的影响。 折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o采用半电路概念来求解折叠级联运放的小信采用半电路概念来求解折叠级联运放的小信号电压增益，如以下图所示电路，其增益可号电压增益，如以下图所示电路，其增益可写成：。写成：。omvRGA 折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器oGm的求解的求解o由于从由于从M3

23、的源极看进去的阻抗的源极看进去的阻抗(gm3+gmb3)-1|ro3低于低于ro1|ro5，因此半边电路的输出短路电流近似等于因此半边电路的输出短路电流近似等于M1的漏电流，根据求解的漏电流，根据求解Gm的方法，可以知道的方法，可以知道Gmgm1。oRo的求解的求解o为了计算为了计算Ro，根据求等效电阻的方法，采，根据求等效电阻的方法，采用如下图的等效电路，那么有：用如下图的等效电路，那么有：oo即有：即有：9797)(oommoPrrggR )()(51333ooombmoPorrrggRR 折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o小信号电压增益小信号电压增益o根据求解电压增益的方法，即可

24、求出电路的小信根据求解电压增益的方法，即可求出电路的小信号电压增益为：号电压增益为：ooo对于相类似的器件尺寸与偏置电流，对于相类似的器件尺寸与偏置电流，PMOS输入输入差分对与差分对与NMOS差分对相比具有较小的跨导。并差分对相比具有较小的跨导。并且，且，ro1与与ro5并联，特别是由于并联，特别是由于M5流过输入器流过输入器件及级联支路的电流，减小了输出阻抗，故折叠件及级联支路的电流，减小了输出阻抗，故折叠式级联运算放大器的增益常比一个类似的伸缩式式级联运算放大器的增益常比一个类似的伸缩式级联的增益小级联的增益小2至至3倍。倍。 )()()(9777513331oombmooombmmvr

25、rggrrrgggA 折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o用用NMOS管作为折叠级联运放的输入对管，管作为折叠级联运放的输入对管，如下图。如下图。 折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o由于由于NMOS器件具有较大的迁移率，所以该电路的电压器件具有较大的迁移率，所以该电路的电压增益较大，但这是以降低在折叠点的极点为代价。实践增益较大，但这是以降低在折叠点的极点为代价。实践上，对于类似的偏置电流，后一张图中的上，对于类似的偏置电流，后一张图中的M5-M6能够比能够比前一张图中的宽度大几倍。前一张图中的宽度大几倍。o折叠级联运放的总的压摆略高于伸缩式构造。这个优点折叠级联运放的总的压摆略

26、高于伸缩式构造。这个优点是以高功耗、小电压增益、低极点频率等为代价的。但是以高功耗、小电压增益、低极点频率等为代价的。但是由于折叠级联运放的输入与输出可以短接且输入共模是由于折叠级联运放的输入与输出可以短接且输入共模电平易于选择，所以运用非常广。电平易于选择，所以运用非常广。o折叠级联运放的一个重要特性是控制输入共模电平接近折叠级联运放的一个重要特性是控制输入共模电平接近电源供应的一端电压：用电源供应的一端电压：用NMOS输入对时可使输入共模输入对时可使输入共模电平为电平为VDD，而运用，而运用PMOS输入对的类似构造可使输入输入对的类似构造可使输入共模电平为零。共模电平为零。 单端输出运算放

27、大器单端输出运算放大器简单的运算放大器简单的运算放大器-CMOS差分放大器差分放大器 o开环输出电阻为：开环输出电阻为：oo式中式中roN与与roP分别为分别为NMOS管漏源之间的电阻。管漏源之间的电阻。oPoNorrr 简单的运算放大器简单的运算放大器-CMOS差分放大器差分放大器o开环电压增益为：开环电压增益为：o o上式中上式中gmN为输入差分对管为输入差分对管NMOS的跨导，的跨导，接成闭环运用时，其反响系数为接成闭环运用时，其反响系数为1，因此，因此根据负反响特性可以求出闭环输出电阻为：根据负反响特性可以求出闭环输出电阻为：oo由于由于ro较大，故其闭环输出电阻近似为较大，故其闭环输

28、出电阻近似为1/gmN，与开环输出电阻无关。，与开环输出电阻无关。)(oPNomNvdrrgA )(11oPoNmNoPoNvvdoocrrgrrFArr 简单的运算放大器简单的运算放大器-CMOS差分放大器差分放大器o该电路的输出压摆为：该电路的输出压摆为：oVDD o上式中的上式中的VdsatN与与VdsatP分别指分别指NMOS与与PMOS的饱和漏极电压。的饱和漏极电压。o电路主极点位于输出节点，且其时间常数为：电路主极点位于输出节点，且其时间常数为：roCL。o其特点是：开环电压增益可到达其特点是：开环电压增益可到达100左右，左右，而功耗为而功耗为mW级，单位增益频率约为兆赫量级，单

29、位增益频率约为兆赫量级；且电路驱动负载才干较小。级；且电路驱动负载才干较小。 dsatPDDodsatNQVVVVV 共源共栅电流源为负载的伸缩式级联构造运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联构造运算放大器 o如下图，与全差分伸缩式级联放大器不同之如下图，与全差分伸缩式级联放大器不同之处是其负载为共源共栅电流镜构造。处是其负载为共源共栅电流镜构造。共源共栅电流源为负载的伸缩式级联构造运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联构造运算放大器o该电路的开环输出电阻：该电路的开环输出电阻：o开环电压增益：开环电压增益：o o闭环输出电阻为：闭环输出电阻为：oroc=1/gmNo开环的输出压摆：开

30、环的输出压摆：22oPmPoNmNorgrgr )(22oPmPoNmNmNdrgrggA 8642dsatdsatDDodsatdsatQVVVVVVV 共源共栅电流源为负载的伸缩式级联构造运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联构造运算放大器o闭环输出压摆：把输入信号端闭环输出压摆：把输入信号端M2的栅极与输出节点相的栅极与输出节点相连构成单位增益反响运用时，在正常任务时，要保证一连构成单位增益反响运用时，在正常任务时，要保证一切切MOS管任务于饱和态。管任务于饱和态。oM4饱和的条件是：饱和的条件是：VoVb1Vth4oM2饱和的条件是：饱和的条件是：VoVth2VX，即，即VoVth

31、2VXVb1VGS4Vth2，所以有：，所以有：oo故输出电压摆幅为故输出电压摆幅为Vth2(VGS4-Vth4)，小于，小于M2的阈值电压，因此用作缓冲器时其输出压摆太小，所以的阈值电压，因此用作缓冲器时其输出压摆太小，所以不适用。不适用。o另外，这种电路的输出摆幅为全差分相应电路的输出摆另外，这种电路的输出摆幅为全差分相应电路的输出摆幅的一半，并且该电路的反响系统的速度较低。幅的一半，并且该电路的反响系统的速度较低。24141thGSbothbVVVVVV 高摆幅的伸缩式级联构造运算放大器高摆幅的伸缩式级联构造运算放大器 o为了抑制上述构造输出摆幅小的缺陷，对此为了抑制上述构造输出摆幅小的

32、缺陷，对此构造进展了改良，如下图。构造进展了改良，如下图。 高摆幅的伸缩式级联构造运算放大器高摆幅的伸缩式级联构造运算放大器o上图所示的电路构造的一个最大特点就是其上图所示的电路构造的一个最大特点就是其输出摆幅较大，因此称为高摆幅的伸缩式级输出摆幅较大，因此称为高摆幅的伸缩式级联构造运算放大器。联构造运算放大器。o这是由于其利用高摆幅的电流镜作为负载以这是由于其利用高摆幅的电流镜作为负载以提高放大器的开环电压摆幅。提高放大器的开环电压摆幅。o在这种构造中，在这种构造中，M7与与M8被偏置在线性区被偏置在线性区的边缘。这种构造与前一种构造一样，不适的边缘。这种构造与前一种构造一样，不适用于单位增

33、益缓冲器。用于单位增益缓冲器。 高摆幅折叠式级联运算放大器高摆幅折叠式级联运算放大器 o如下图的折叠式级联运放可以抑制伸缩式级联如下图的折叠式级联运放可以抑制伸缩式级联运放较小的输出摆幅和难以用作单位缓冲电路运放较小的输出摆幅和难以用作单位缓冲电路的缺陷。并仍将输入电压转变成电流的缺陷。并仍将输入电压转变成电流高摆幅折叠式级联运算放大器高摆幅折叠式级联运算放大器o该电路的开环输出电压的最小值为：该电路的开环输出电压的最小值为：VSVdsat4，最大值那么为，最大值那么为VDD|Vdsat6|Vdsat8|)，所以开环输，所以开环输出两峰值之间的摆幅为：出两峰值之间的摆幅为：oo上式的值比伸缩式

34、级联运放的输出摆幅大了上式的值比伸缩式级联运放的输出摆幅大了一个电流源的过驱动电压。一个电流源的过驱动电压。o该电路的小信号电压增益也可采半电路概念该电路的小信号电压增益也可采半电路概念来求解，并可表示为来求解，并可表示为Av=GmRo，同理必，同理必需先求出等效跨导与等效输出阻抗。需先求出等效跨导与等效输出阻抗。)(864dsatdsatDDodsatSVVVVVV 共模反响共模反响 引言引言o全差分运算放大器具有大输出摆幅、无镜像极点等全差分运算放大器具有大输出摆幅、无镜像极点等优点，因此可以得到高的闭环速度。优点，因此可以得到高的闭环速度。o但其共模电平必需小心定义以使之能正常任务。普但

35、其共模电平必需小心定义以使之能正常任务。普通都采用所谓的通都采用所谓的“共模反响共模反响(CMFB)的方法。的方法。o在高增益放大器中，其输出共模电平对器件特性与在高增益放大器中，其输出共模电平对器件特性与失配非常敏感，不能经过失配非常敏感，不能经过“目测确定，而且不能目测确定，而且不能经过差分反响来到达稳定。经过差分反响来到达稳定。o因此，必需采用一共模反响网络来检测输出端的共因此，必需采用一共模反响网络来检测输出端的共模电平，有效调理放大器的偏置电流。模电平，有效调理放大器的偏置电流。引言引言o引入共模反响的两个目的：引入共模反响的两个目的：o为输出节点提供一个稳定的共模电平。为输出节点提

36、供一个稳定的共模电平。o减小共模增益，以提高共模抑制比。减小共模增益，以提高共模抑制比。o共模反响设计时应思索：共模反响设计时应思索：o只为共模信号创建一个负反响回路，而对于只为共模信号创建一个负反响回路，而对于差分信号，即共模反响不能影响电路的性能。差分信号，即共模反响不能影响电路的性能。o尽量减小共模反响电路的功耗与面积。尽量减小共模反响电路的功耗与面积。o在单端输出的运放中，不需求在单端输出的运放中，不需求CMFB，但可，但可以利用以利用CMFB来提高共模抑制比；而在全差来提高共模抑制比；而在全差分运放中那么必需有分运放中那么必需有CMFB。引言引言oCMFB主要有二部分组成：主要有二部

37、分组成：o共模电平检测电路；共模电平检测电路；o参考电源比较电路。参考电源比较电路。o任务机理是：任务机理是：o检测出共模信号：。检测出共模信号：。o与一个参考电压进展比较：。与一个参考电压进展比较：。o将其误差校正电平回送到放大器的偏置电路。将其误差校正电平回送到放大器的偏置电路。o防止共模信号注入到不需校正防止共模信号注入到不需校正VoC的放大器的放大器的节点。的节点。221oooCVVV RoCVV 引言引言o假设检测的输出信号是电流信号，那么共模假设检测的输出信号是电流信号，那么共模反响构造如以下图所示，即必需采用一个电反响构造如以下图所示，即必需采用一个电流方式的电平检测电路，以及共

38、模检测电流流方式的电平检测电路，以及共模检测电流放大器比较器。放大器比较器。共模电平的检测方法电阻分压法共模电平的检测方法电阻分压法o在上图所示构造中，输出共模电平在上图所示构造中，输出共模电平VoC为为( Vo1+ Vo2)/2，o因此最直接的方法因此最直接的方法o是采用如右图所示是采用如右图所示o的电阻分压器。的电阻分压器。共模电平的检测方法电阻分压法共模电平的检测方法电阻分压法o根据根据KCL定理有：定理有：oo当当R1R2时，有：时，有：oo这种方法的缺陷是：这种方法的缺陷是：oR1与与R2阻值必需比运放的输出阻抗大得多，阻值必需比运放的输出阻抗大得多，否那么会使运放的开环增益下降。否

39、那么会使运放的开环增益下降。o在在CMOS工艺中工艺中R1与与R2阻值可以做得很大，阻值可以做得很大，但寄生电容会很大，影响运放的频率特性，另但寄生电容会很大，影响运放的频率特性，另外大的阻值会占用非常大的芯片面积。外大的阻值会占用非常大的芯片面积。2211RVVRVVoCoooC 221oooCVVV 共模电平的检测方法改良型电阻分压法共模电平的检测方法改良型电阻分压法 o为了消除电阻对运放的影响，对电阻分压法为了消除电阻对运放的影响，对电阻分压法中的每一输出与相应的电阻之间内插源极跟中的每一输出与相应的电阻之间内插源极跟随器，构成了如下图的改良型电路。随器，构成了如下图的改良型电路。共模电

40、平的检测方法改良型电阻分压法共模电平的检测方法改良型电阻分压法o该电路检测到的共模电平比运放的实践共模电平低该电路检测到的共模电平比运放的实践共模电平低VGS1,2，但是这个差值可在其后的比较器中消除。，但是这个差值可在其后的比较器中消除。o这种电路的缺陷：这种电路的缺陷：o当输出端为一个大的差分摆幅时，如当输出端为一个大的差分摆幅时，如Vo1远高于远高于Vo2，那么电流源，那么电流源I2必定流入二组电流必定流入二组电流(Vo1Vo2)/(R1R2)与与ID2，所以，所以R1R2要足够要足够大或大或I2必需足够大以确保必需足够大以确保M7或或M8任务于饱和区，任务于饱和区，否那么否那么ID2减

41、小至减小至0，那么，那么VoC已不是共模电平。已不是共模电平。因此，因此，R1与与R2或或I1与与I2必需足够大。必需足够大。o限制了差分输出摆幅。在无限制了差分输出摆幅。在无CMFB时，时，Vo1(Vo2)的最小允许电平为的最小允许电平为VoD3VoD5；有；有CMFB时那时那么为么为VGS1VS，几乎比前者大一个阈值电压，几乎比前者大一个阈值电压，因此每一输出端的摆幅几乎减小因此每一输出端的摆幅几乎减小Vth，在低电压设，在低电压设计中是一个必需防止的缺陷。计中是一个必需防止的缺陷。共模电平的检测方法共模电平的检测方法-开关电容开关电容o开关电容共模负反响可以保证电路的差分电开关电容共模负

42、反响可以保证电路的差分电压增益与较大的线性范围；其输出经过电容压增益与较大的线性范围；其输出经过电容而不是电阻检测。而不是电阻检测。 如下图。如下图。共模电平的检测方法共模电平的检测方法-开关电容开关电容o图中图中Cc1和和Cc2为检测输出共模电压的电容，为检测输出共模电压的电容，假设假设Cc1=Cc2，那么有：，那么有：oo即即Cc1和和Cc2实现了对输出共模电压变化的感实现了对输出共模电压变化的感应，假设应，假设Vo1和和 Vo2升高，那么升高，那么VX随之升高，随之升高，M5的漏源电流添加，的漏源电流添加，M3，4管的电流也将添管的电流也将添加，由于，加，由于，而而o不变，那么须添加不变

43、，那么须添加VSD3,4顺应电流的变化，那么顺应电流的变化，那么降低；反之，降低；反之，VCM将升高，因此实现了将升高，因此实现了VCM的调理。的调理。)1(|)|(|4, 324, 34, 3SDTHPGSpDVVVKI BDDGSVVV |4,34,321SDddooCMVVVVV 2210ooXXVVVV 共模电平的检测方法共模电平的检测方法-开关电容开关电容o电容电容Cc1和和Cc2的初始电压确实定方法较多，一种简的初始电压确实定方法较多，一种简单的做法是每隔一段时间对电容进展充电，充电常数由单的做法是每隔一段时间对电容进展充电，充电常数由RC决议，而电阻可由开关电容取代其电阻为决议，

44、而电阻可由开关电容取代其电阻为T/C，这就构成开关电容共模负反响，如下图。这就构成开关电容共模负反响，如下图。 共模电平的检测方法共模电平的检测方法-开关电容开关电容o上图中上图中Vo1和和Vo2分别为运放输出电压，分别为运放输出电压，VR为供比较的参考电压常等于需稳定的输为供比较的参考电压常等于需稳定的输出共模电压，出共模电压，Vb为偏置电路产生的电容初为偏置电路产生的电容初始电压，始电压，Vctr为此为此CMFB产生的调理电压，产生的调理电压，和为两相非交叠时钟，和为两相非交叠时钟，Cc1和和Cc2为感应输为感应输出电压电容，出电压电容，Cs1和和Cs2为用作电阻的开关为用作电阻的开关电容

45、，设电容，设Cs1=Cs2及及Cc1=Cc2，那么可，那么可用电荷重分配原理进展分析可得到：用电荷重分配原理进展分析可得到：bRooctrVVVVV )2(21共模电平的检测方法共模电平的检测方法-开关电容开关电容o由上式可以看出：控制调理电压由上式可以看出：控制调理电压Vctr的表达式包的表达式包括了三部分：括了三部分：o对输出共模电压的检测，即：。对输出共模电压的检测，即：。o与所给的参考电压的比较，即：与所给的参考电压的比较，即：。o与初始电压与初始电压Vb叠加。叠加。o因此该开关电容因此该开关电容CMFB完成了共模负反响的全部功完成了共模负反响的全部功能。能。o这种电容构造的优点在于实

46、现起来非常简单这种电容构造的优点在于实现起来非常简单(不需不需求另外的比较器求另外的比较器)，占用较小的芯片面积，具有很，占用较小的芯片面积，具有很好的稳定性能，并且动态开关电容不耗费额外的功好的稳定性能，并且动态开关电容不耗费额外的功率。缺陷主要是需求两相非交叠时钟。率。缺陷主要是需求两相非交叠时钟。 221ooVV RooVVV 221共模电平的检测方法可变电阻法共模电平的检测方法可变电阻法o利用任务在深三极管区利用任务在深三极管区MOS管的压控电阻管的压控电阻特性构成共模负反响电路，如下图。特性构成共模负反响电路，如下图。共模电平的检测方法可变电阻法共模电平的检测方法可变电阻法o在上图中

47、，一样的三极管在上图中，一样的三极管M1与与M2任务在任务在深三极管区，由于在深三极管区的深三极管区，由于在深三极管区的MOS的的电阻可表示为：电阻可表示为：o o所以，在节点所以，在节点A与地之间的总电阻为：与地之间的总电阻为： )(1thGSoxnonVVLWCR )2(1 )(1112-12112121thoooxnthothooxnononononVVVLWCVVVVLWCRRRRR 共模电平的检测方法可变电阻法共模电平的检测方法可变电阻法o上式阐明总电阻上式阐明总电阻R是是Vo2Vo1的函数但与差模输的函数但与差模输出出Vo2Vo1无关。假设两输出电压同时上升，无关。假设两输出电压同

48、时上升，那么那么R下降，而假设输出发生不同变化，那么一个下降，而假设输出发生不同变化，那么一个管子的管子的Ron上升而另一个管子的上升而另一个管子的Ron下降。因此下降。因此从节点从节点A到地的电阻值反映了共模电平的变化。到地的电阻值反映了共模电平的变化。o这种构造的缺陷为：这种构造的缺陷为：o任务在深线性区的任务在深线性区的M1与与M2的运用限制了输出压的运用限制了输出压摆。外表看其输出的最小电压为摆。外表看其输出的最小电压为Vth7,8，但实践，但实践上在此时上在此时M1与与M2中至少有一个进入饱和区而使中至少有一个进入饱和区而使上式不成立，因此最小输出共模电平应比该阈值电上式不成立，因此

49、最小输出共模电平应比该阈值电压高。压高。误差比较技术比较放大器控制级联级电流误差比较技术比较放大器控制级联级电流源源 o如下图如下图误差比较技术比较放大器控制级联级电流源误差比较技术比较放大器控制级联级电流源o如上图所示电路是一种用一个简单的比较放大器对如上图所示电路是一种用一个简单的比较放大器对共模输出电平共模输出电平VoC与参考电压值与参考电压值VR进展比较，并进展比较，并把比较的结果以反响方式前往到把比较的结果以反响方式前往到NMOS电流源。电流源。o假设假设Vo1与与Vo2都上升，那么都上升，那么VE也上升，那么也上升，那么M3-M4的漏极电流增大，从而降低了输出共模电的漏极电流增大，

50、从而降低了输出共模电平。也就是说假设其开环增益高，其反响网络将迫平。也就是说假设其开环增益高，其反响网络将迫使使Vo1与与Vo2的共模电平接近的共模电平接近VR。o为保证系统具有较好的稳定性，反响只可控制一小为保证系统具有较好的稳定性，反响只可控制一小部分电流。例如部分电流。例如M3、M4的每一个三极管以两个的每一个三极管以两个并联器件构成，其中一个偏置在恒流源而另一个被并联器件构成，其中一个偏置在恒流源而另一个被一误差放大器驱动。一误差放大器驱动。比较放大器控制输入差分对的尾电流比较放大器控制输入差分对的尾电流 o对于折叠级联运放，其共模电平与比较电平对于折叠级联运放，其共模电平与比较电平比

51、较的结果用以控制其输入差分对的尾部电比较的结果用以控制其输入差分对的尾部电流。如下图，假设流。如下图，假设Vo1与与Vo2上升，那么上升，那么尾电流增大，从而减小了尾电流增大，从而减小了M5-M6的漏极电的漏极电流，进而恢复其共模输出电平。流，进而恢复其共模输出电平。比较方法比较方法 -采用线性器件的采用线性器件的CMFBo在以上的分析中，输出在以上的分析中，输出o共模电平被转换成一个共模电平被转换成一个o电阻或电流，不能直接电阻或电流，不能直接o与参考电压进展比较，与参考电压进展比较，o必需进展一定的转换，必需进展一定的转换，o如右图所示。如右图所示。比较方法比较方法 -采用线性器件的采用线性器件的CMFBo图中共模电平调理图中共模电平调理Ron7|Ron8，而，而Ron7|Ron8又调理又调理M5与与M6的偏置电流。的偏置电流。使得使得ID5与与ID6和和ID9与与ID10分别准确相分别准确相等。假设等。假设ID9=ID10=ID，那么有，那么有VbVGS2ID(Ron7|Ron8)且有且有Ron7|Ron8(VbVGS5)/(2ID)，可以推导出：可以推导出：thGSboxnDooVVVLWCIVV21258 ,721比较方法比较方法 -采用线性器件的采用线性器件的CMFBo因此在时因此在时可以得到可以