运算放大器_1_

1、运算放大器运算放大器南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数1输入特性参数输入特性参数o 输入失调电压输入失调电压VOSn 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，在运算放时，在运算放大器的输入端之间所加的直流补偿电压。大器的输入端之间所加的直流补偿电压。VOS是是标志运算放大器对称性的一个重要参数，它的标志运算放大器对称性的一个重要参数，它的大小对于大小对于MOS输入级在输入级在1几十几

2、十mV左右。对左右。对于高精度、低漂移型运算放大器而言，于高精度、低漂移型运算放大器而言，VOS在在0.5mV以下，甚至为以下，甚至为uV数量级。数量级。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 输入失调电流输入失调电流IOSn 当运算放大器的输出直流电压为零时，两个输入端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：所需的偏置电流的差值：IOSIBIB。一般。一般IOS为为IB的的520%。o 输入偏置电流输入偏置电流IBn 当运算放大器在补偿了失调电压，使其输出电压当运

3、算放大器在补偿了失调电压，使其输出电压Vo=0时，运放两输入端所需电流的平均值。即时，运放两输入端所需电流的平均值。即IB为同相端输入电流与反相端输入电流的绝对值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。之和的一半。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 输入失调电压温度系数输入失调电压温度系数dVOS/dTn 运算放大器在规定工作温度范围内，环境温度每运算放大器在规定工作温度范围内，环境温度每改变一度所引起的输入失调电压的变化量。由于改变一度所引起的输入失调电压的变化量。由于失调

4、电压并不是温度的线性函数，所以一般用下失调电压并不是温度的线性函数，所以一般用下式进行计算：式进行计算：n 上式中上式中（VOS）max、（、（VOS）min分别为在分别为在T1T2范围内失调电压的最大值、最小值。范围内失调电压的最大值、最小值。12minmax)()(TTVVTVOSOSOS 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数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/dTn 运算放大器在规定工作温度范围内环境温度运算放大器在规定工作温度范围内环境温度每改变一度所引起的输入失

5、调电流的变化量。每改变一度所引起的输入失调电流的变化量。o 差模输入阻抗差模输入阻抗Zidn 运算放大器在线性区工作时，两差模输入电运算放大器在线性区工作时，两差模输入电压变化压变化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，之比，即即Zid=vid/iid。在低频工作时，。在低频工作时，Zid可用电可用电阻阻Rid来表示，而在高频工作时，则可用来表示，而在高频工作时，则可用Rid与与Cid并联表示。并联表示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 共模输入阻抗共模输入阻抗

6、Zicn 运算放大器在共模输入时运放输入端对地呈运算放大器在共模输入时运放输入端对地呈现的阻抗。在低频工作时可用现的阻抗。在低频工作时可用Ric表示，定表示，定义为：义为： n 一般情况下，对于一般情况下，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 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数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Vicn 使运算放大器的共模抑制

7、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模抑制比下降6dB时加时加在输入端的共模输入电压。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Vidn 运算放大器两输入端所能承受的最大运算放大器两输入端所能承受的最大电压。电压。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数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iiN）n 除信号电压（电流）之外，电路器件所产生除信号电压（电流）之外，电路器件所产生的任何交流的干扰电压（电流）的输出都称的任何交流的

8、干扰电压（电流）的输出都称为电路噪声，该噪声折算到输入端称为输入为电路噪声，该噪声折算到输入端称为输入噪声，在噪声，在MOS运放中主要是运放中主要是1/f噪声与热噪噪声与热噪声。运算放大器的输入噪声决定了运放所能声。运算放大器的输入噪声决定了运放所能合理处理的最小信号电平，必须考虑噪声与合理处理的最小信号电平，必须考虑噪声与输出摆幅间的折衷。输出摆幅间的折衷。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o电源抑制电源抑制n 反映运放对电源噪声的抑制能力，一般反映运放对电源噪声的抑制能力，一般全差分结

9、构具有很好的电源抑制。它的全差分结构具有很好的电源抑制。它的计算一般定义为：计算一般定义为：10/)()( oVDDioDDodVVVVAPSRR 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数2 转移特性参数转移特性参数o 开环直流（低频）电压增益开环直流（低频）电压增益Avdn 运算放大器工作在线性区时，输出电压变化运算放大器工作在线性区时，输出电压变化与差分输入电压变化的比值：与差分输入电压变化的比值： n 一般用一般用dB表示，即定义为：表示，即定义为：20logAvd。0 icVidovddV

10、dVA 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 共模抑制比共模抑制比CMRR 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： CMRR是标称运算放大器的一个不对称参数，且是标称运算放大器的一个不对称参数，且有：有： 另外，另外，CMRR也是频率的函数，频率上升则也是频率的函数，频率上升则CMRR下降，一般情况下下降，一般情况下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 C

11、MRRAAdVdVvdvcicOS1 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数3输出特性：输出特性：o 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下下所能提供的最大输出电流。所能提供的最大输出电流。o 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达到最大值时，输出端对地的短路电而使输出达到最大值时，输出端对地的短路电流。大小主要与输出级的保护电路有关。流。大小主要与输出级的保护

12、电路有关。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 开环输出阻抗开环输出阻抗Zo 在开环状态下，运算放大器工作于线性在开环状态下，运算放大器工作于线性区时，运放的输出电压与对应的电流变化之区时，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Aiv 运放的开环差分增益决定了应用运放作为运放的开环差分增益决定了应用运放作为反馈系统的精度。如前所述，根据应用其所需反馈系统的精度。如前所述，根据应用其所需增益可能有四个数量级

13、的变化。增益可能有四个数量级的变化。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 输出压摆输出压摆 指运算放大器的输出电压的最大范围，大多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适应宽范围的数带有运放的系统需很大的压摆以适应宽范围的信号幅度。由于输出压摆与其它性能指标之间存信号幅度。由于输出压摆与其它性能指标之间存在着相互权衡的关系，在现代运放设计中达到大在着相互权衡的关系，在现代运放设计中达到大摆幅是相当有挑战性的。摆幅是相当有挑战性的。o 线性与谐波失真线性与谐波失

14、真 开环运放具有相当大的非线性，在许多反馈开环运放具有相当大的非线性，在许多反馈电路中，决定开环增益的因素是线性的要求而非电路中，决定开环增益的因素是线性的要求而非增益误差。增益误差。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数4频率特性频率特性o 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。反映了运放对于任意输入

15、波形的大压的最大变化率。反映了运放对于任意输入波形的大信号瞬态特性。一般运放的转换速率为信号瞬态特性。一般运放的转换速率为0.52V/us，高速运放可达高速运放可达10100V/us。o 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，在额定负载下输入阶跃时，在额定负载下输入阶跃大信号，输出电压达到规定精度的所需要的时间。大信号，输出电压达到规定精度的所需要的时间。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 全功率带宽全功率带宽fp 运算放大器闭环增益为运算放大器闭环增益为1时，在额

16、定负时，在额定负载下输入正弦信号后，在规定失真下，输出载下输入正弦信号后，在规定失真下，输出电压达到最大幅度电压达到最大幅度Vop时的最高频率。时的最高频率。o 3dB带宽带宽 指运放的开环电压增益指运放的开环电压增益Avd的半功率点的的半功率点的频率，即运放的开环增益下降到低频电压增频率，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。这是运放小信号工作益的时所对应的频率。这是运放小信号工作时的频率特性。时的频率特性。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数o 单位增益带宽单位增益带宽fu

17、 运放的开环增益下降到运放的开环增益下降到0dB（1倍）时所倍）时所对应的频率，即为运放小信号工作时的频率特对应的频率，即为运放小信号工作时的频率特性。性。o 大信号带宽大信号带宽 反映运算放大器的输入为大信号时的频率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，小信号频率特性和特性，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，有些要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，需根据运求小信号带宽，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。放在系统中的作用和要求来定。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江

18、苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述分析运算放大器的一般步骤分析运算放大器的一般步骤o 一般运算放大器有以下几个部分构成：输入级、增一般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，下图示了一般运放的主要构益级、输出级等构成，下图示了一般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单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。级运放、二级运放、多级运放等。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室概述概述分析运算放大器的一般步骤分析运算放大器的一般步骤o 分析运算放大器的一般步

19、骤为：分析运算放大器的一般步骤为：n 划分并分析所有的偏置电路（即偏置电压与偏置电划分并分析所有的偏置电路（即偏置电压与偏置电流）；划分并分析所有的保护电路，并可先忽略它们流）；划分并分析所有的保护电路，并可先忽略它们的影响。的影响。n 计算所有的工作电流与电压。计算所有的工作电流与电压。n 根据输入信号定义电路模块：放大器、缓冲器、电平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。移位电路以及输出驱动电路等。n 计算运算放大器的低频增益。计算运算放大器的低频增益。n 分析其补偿电路。分析其补偿电路。n 计算高频响应。计算高频响应。n 采用采用SPICE进行仿真以得

20、到其性能参数。进行仿真以得到其性能参数。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室单级运放单级运放 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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，这里主要介绍基本差分放大器、伸缩式级联放大器以及折叠这里主要介绍基本差分放大器、伸缩式级联放大器以及折叠式级联放大器。式级联放大器。1基本的全差分单级运算放大器基本的全差分单级运算放大器o 单级全差分运算放大

21、器的基本单级全差分运算放大器的基本电路如右图所示。电路如右图所示。o 图中图中M1、M2、M3、M4及电流及电流 源源IS构成了一个差分放大器，构成了一个差分放大器， 而而M5及电流源及电流源IR则为差分放大则为差分放大 器的负载管器的负载管M3、M4提供偏置。提供偏置。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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： 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

22、电阻。的输出电阻。o 开环共模增益为：开环共模增益为： 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 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室伸缩式共源共栅运算放大器伸缩式共源共栅运算放大器 o 伸缩式共源共栅运算放伸缩式共源共栅运算放大器的结构如第五章中大器的结构如第五章中介绍的伸缩式共源共栅介绍的伸缩式共源共栅放大级基本一致。放大级基本一致。o 这种运算放大器的一

23、个这种运算放大器的一个明显缺点是很难以输入明显缺点是很难以输入输出短接方式实现单位输出短接方式实现单位增益缓冲器。增益缓冲器。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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，如果输入管采用相反极性的在上图中，如果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，如下图所示。叠运算放大器，如下图所示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o 上图所示的

24、折叠式运算放大器电路，必须保证所有上图所示的折叠式运算放大器电路，必须保证所有MOS管都工作于饱和区以确保高增益。管都工作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 缺点：保证较小寄生电容时

25、，要求缺点：保证较小寄生电容时，要求M5与与M6的过驱的过驱动电压增大以提供大电流。动电压增大以提供大电流。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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：n 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供给输入供给输入三极管及级联器件，而折叠式级联运放中输入三极管及级联器件，而折叠式级联运放中输入对管需要一个额外偏置电流，且有对管需要一个额外偏置电流，且有 IS1IS/2ID

26、3，因此折叠级联结构一般有较高功耗。，因此折叠级联结构一般有较高功耗。n 在伸缩式级联运放中，其输入共模电平不能大在伸缩式级联运放中，其输入共模电平不能大于于Vb1VGS3Vth1，而在折叠式级联运放中，而在折叠式级联运放中，不能小于不能小于Vb1VGS3|VthP|，因此后一种电，因此后一种电路可以设计成单位缓冲器，并可忽略摆幅的影路可以设计成单位缓冲器，并可忽略摆幅的影响。响。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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

27、压增益，如下图所示电路，其增益可写号电压增益，如下图所示电路，其增益可写成：。成：。omvRGA 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室折叠式级联运算放大器折叠式级联运算放大器o Gm的求解的求解n 由于从由于从M3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，因此半边电路的输出短路电流近似等于路电流近似等于M1的漏电流，根据求解的漏电流，根据求解Gm的的方法，可以知道方法，可以知道Gmgm1。o Ro的求解的求解n 为了计算为了计算Ro，根据求等效电阻的方法，采用如，根据求

28、等效电阻的方法，采用如图所示的等效电路，则有：图所示的等效电路，则有：n 即有：即有：9797)(oommoPrrggR )()(51333ooombmoPorrrggRR 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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n根据求解电压增益的方法，即可求出电路的小信号电压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：增益为：o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

29、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流过输入器件流过输入器件及级联支路的电流，减小了输出阻抗，故折叠式及级联支路的电流，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级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联的增益小2至至3倍。倍。 )()()(9777513331oombmooombmmvrrggrrrgggA 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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，如图所示。如

30、图所示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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。实际增益较大，但这是以降低在折叠点的极点为代价。实际上，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可能比可能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结构。这个优点折叠级联运放的总的压摆略高于伸缩式结构。这个优点是以高功耗、小电压增益、低

31、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，所以应用非常广。电平易于选择，所以应用非常广。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给的一端电压：用电源供给的一端电压：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，而使用，而使用PMOS输入对的相似结构可使输入输入对的相似结构可使输入共模电平为零。共模电平为零。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电

32、路设计 重点实验室重点实验室单端输出运算放大器单端输出运算放大器 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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：o 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 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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 上式中上式中gmN为输入差分对管为输入差分对管N

33、MOS的跨导，的跨导，接成闭环应用时，其反馈系数为接成闭环应用时，其反馈系数为1，因此，因此根据负反馈特性可以求出闭环输出电阻为：根据负反馈特性可以求出闭环输出电阻为：o 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 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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：VDD o 上式中的

34、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：开环电压增益可达到其特点是：开环电压增益可达到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，单位增益频率约为兆赫量级；且电路驱动负载能力较小。级；且电路驱动负载能力较小。 dsatPDDodsatNQVVVVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器共源共栅电流源为负载的

35、伸缩式级联结构运算放大器 o 如图所示，与全差分伸缩式级联放大器不同如图所示，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结构。之处是其负载为共源共栅电流镜结构。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器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 闭环输出电阻为：闭环输出电阻为：roc=1/gmNo 开环的输出压摆：开环的输出压摆：22oPmPoNmNorgrgr )(22oPmPoNmNmNdrgr

36、ggA 8642dsatdsatDDodsatdsatQVVVVVVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器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馈应用时，在正常工作时，要保证所连构成单位增益反馈应用时，在正常工作时，要保证所有有MOS管工作于饱和态。管工作于饱和态。n M4饱和的条件是：饱和的条件是：VoVb1Vth4n M2饱和的条件是：饱和的条件是：VoVth2VX，即，

37、即VoVth2VXVb1VGS4Vth2，所以有：，所以有：n 故输出电压摆幅为故输出电压摆幅为Vth2(VGS4+Vth4)，小于，小于M2的的阈值电压，因此用作缓冲器时其输出压摆太小，所阈值电压，因此用作缓冲器时其输出压摆太小，所以不实用。以不实用。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，并且该电路的反馈系统的速度较低。幅的一半，并且该电路的反馈系统的速度较低。24141thGSbothbVVVVVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室高摆幅的伸缩式级联结构运算放大

38、器高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器 o 为了克服上述结构输出摆幅小的缺点，对此为了克服上述结构输出摆幅小的缺点，对此结构进行了改进，如图所示。结构进行了改进，如图所示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器o 上图所示的电路结构的一个最大特点就是其上图所示的电路结构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结构运算放大器。联结构运算放大器。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

39、放大器的开环电压摆幅。提高放大器的开环电压摆幅。o 在这种结构中，在这种结构中，M7与与M8被偏置在线性区的被偏置在线性区的边缘。这种结构与前一种结构一样，不适用边缘。这种结构与前一种结构一样，不适用于单位增益缓冲器。于单位增益缓冲器。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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 如图所示的折叠式级联运放可以克服伸缩式级如图所示的折叠式级联运放可以克服伸缩式级联运放较小的输出摆幅和难以用作单位缓冲电联运放较小的输出摆幅和难以用作单位缓冲电路的缺点。（并仍将输入电压转变成电流）路的缺点。（并仍

40、将输入电压转变成电流） 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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，最大值则为，最大值则为VDD（|Vdsat6|Vdsat8|)，所以开环输出两峰值之间的摆，所以开环输出两峰值之间的摆幅为：幅为：o 上式的值比伸缩式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

41、可表示为来求解，并可表示为Av=GmRo，同理必须，同理必须先求出等效跨导与等效输出阻抗。先求出等效跨导与等效输出阻抗。)(864dsatdsatDDodsatSVVVVVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模反馈共模反馈 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室引言引言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 但其共模电平必须小心定义以使之能正常工作。一但其共模电平必

42、须小心定义以使之能正常工作。一般都采用所谓的般都采用所谓的“共模反馈共模反馈”(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，不能通过失配非常敏感，不能通过“目测目测”确定，而且不能确定，而且不能通过差分反馈来达到稳定。通过差分反馈来达到稳定。o 因此，必须采用一共模反馈网络来检测输出端的共因此，必须采用一共模反馈网络来检测输出端的共模电平，有效调节放大器的偏置电流。模电平，有效调节放大器的偏置电流。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室引言引言o 引入共

43、模反馈的两个目的：引入共模反馈的两个目的：n 为输出节点提供一个稳定的共模电平。为输出节点提供一个稳定的共模电平。n 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 共模反馈设计时应考虑：共模反馈设计时应考虑：n 只为共模信号创建一个负反馈回路，而对于差只为共模信号创建一个负反馈回路，而对于差分信号，即共模反馈不能影响电路的性能。分信号，即共模反馈不能影响电路的性能。n 尽量减小共模反馈电路的功耗与面积。尽量减小共模反馈电路的功耗与面积。n 在单端输出的运放中，不需要在单端输出的运放中，不需要CMFB，但可以，但可以利用利用CMFB来提高共模抑制比；而在全差分运来提高共模抑

44、制比；而在全差分运放中则必须有放中则必须有CMFB。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室引言引言o CMFB主要有二部分组成：主要有二部分组成：n 共模电平检测电路；共模电平检测电路；n 参考电源比较电路。参考电源比较电路。o 工作机理是：工作机理是：n 检测出共模信号：。检测出共模信号：。n 与一个参考电压进行比较：。与一个参考电压进行比较：。n 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。n 避免共模信号注入到不需校正避免共模信号注入到不需校正VoC的放大器的节的放大器的节点。点。221oooCVV

45、V RoCVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室引言引言o 如果检测的输出信号是电流信号，则共模反如果检测的输出信号是电流信号，则共模反馈结构如下图所示，即必须采用一个电流模馈结构如下图所示，即必须采用一个电流模式的电平检测电路，以及共模检测电流放大式的电平检测电路，以及共模检测电流放大器（比较器）。器（比较器）。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模电平的检测方法共模电平的检测方法电阻分压法电阻分压法o 在上图所示结构中，输出共模电平在上图所示结构中，输出共模电平VoC为为(

46、Vo1+ Vo2)/2，因此最直接的方法因此最直接的方法是采用如右图所示是采用如右图所示的电阻分压器。的电阻分压器。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模电平的检测方法共模电平的检测方法电阻分压法电阻分压法o 根据根据KCL定理有：定理有：o 当当R1R2时，有：时，有：o 这种方法的缺点是：这种方法的缺点是：n R1与与R2阻值必须比运放的输出阻抗大得多，否则会阻值必须比运放的输出阻抗大得多，否则会使运放的开环增益下降。使运放的开环增益下降。n 在在CMOS工艺中工艺中R1与与R2阻值可以做得很大，但寄阻值可以做得很大，但寄生电容会很

47、大，影响运放的频率特性，另外大的阻生电容会很大，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。值会占用非常大的芯片面积。2211RVVRVVoCoooC 221oooCVVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模电平的检测方法共模电平的检测方法改进型电阻分压法改进型电阻分压法 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，形成了如图所示的改进型电路。随器，形成了如图所示的改进型电路。 南南 通通 大大 学学 江苏

48、省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模电平的检测方法共模电平的检测方法改进型电阻分压法改进型电阻分压法o 该电路检测到的共模电平比运放的实际共模电平低该电路检测到的共模电平比运放的实际共模电平低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 这种电路的缺点：这种电路的缺点：n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，则，则电流源电流源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要足够大或要足够大或I2必须足够大以确保必须足够

49、大以确保M7或或M8工作于饱和区，否则工作于饱和区，否则ID2减小至减小至0，则，则VoC已不是共模已不是共模电平。因此，电平。因此，R1与与R2或或I1与与I2必须足够大。必须足够大。n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)的最小的最小允许电平为允许电平为VoD3VoD5；有；有CMFB时则为时则为VGS1VS，几乎比前者大一个阈值电压，因此每一输出端的摆幅几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乎减小Vth，在低电压设计中是一个必须避免的缺点。，在低电压设计中是一个必须避免的缺点。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏

50、省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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 开关电容共模负反馈可以保证电路的差分电开关电容共模负反馈可以保证电路的差分电压增益与较大的线性范围；其输出通过电容压增益与较大的线性范围；其输出通过电容而不是电阻检测。而不是电阻检测。 如图所示。如图所示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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，若为检测输出共模电压的电容，若Cc1=Cc2，则有：，则有：o 即即Cc1和和Cc2实现了对输出

51、共模电压变化的感应，实现了对输出共模电压变化的感应，如果如果Vo1和和 Vo2升高，则升高，则VX随之升高，随之升高，M5的漏的漏源电流增加，源电流增加，M3，4管的电流也将增加，由于管的电流也将增加，由于，而，而不变，则须增加不变，则须增加VSD3,4适应电适应电流的变化，则降低；流的变化，则降低；反之，反之，VCM将升高，因而实现了将升高，因而实现了VCM的调节。的调节。)1(|)|(|4, 324, 34, 3SDTHPGSpDVVVKI BDDGSVVV |4,34,321SDddooCMVVVVV 2210ooXXVVVV 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成

52、电路设计 重点实验室重点实验室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的初始电压的确定方法较多，一种简单的初始电压的确定方法较多，一种简单的做法是每隔一段时间对电容进行充电，充电常数由的做法是每隔一段时间对电容进行充电，充电常数由RC决定，而电阻可由开关电容取代（其电阻为决定，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馈，如图所示。这就构成开关电容共模负反馈，如图所示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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

53、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出共为供比较的参考电压常等于需稳定的输出共模电压，模电压，Vb为偏置电路产生的电容初始电为偏置电路产生的电容初始电压，压，Vctr为此为此CMFB产生的调节电压，和为产生的调节电压，和为两相非交叠时钟，两相非交叠时钟，Cc1和和Cc2为感应输出电压为感应输出电压电容，电容，Cs1和和Cs2为用作电阻的开关电容，设为用作电阻的开关电容，设Cs1=Cs2及及Cc1=Cc2，则可用电荷重分配原，则可用电荷重分配原理进行分析可得到：理进行分析可得到：bRooctrVVVVV )2(21 南南 通通 大大

54、学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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：控制调节电压由上式可以看出：控制调节电压Vctr的表达式包括的表达式包括了三部分：了三部分：n对输出共模电压的检测，即：。对输出共模电压的检测，即：。n与所给的参考电压的比较，即：。与所给的参考电压的比较，即：。n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完成了共模负反馈的全部功完成了共模负反馈的全部功能。能。o 这种电容结构的优点在于实现起来十分简单这种电容结构的优点在于实现起来十分简单(不需不需要另外的比较器要另

55、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消耗额外的功好的稳定性能，并且动态开关电容不消耗额外的功率。缺点主要是需要两相非交叠时钟。率。缺点主要是需要两相非交叠时钟。 221ooVV RooVVV 221 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模电平的检测方法共模电平的检测方法可变电阻法可变电阻法o 利用工作在深三极管区利用工作在深三极管区MOS管的压控电阻管的压控电阻特性构成共模负反馈电路，如图所示。特性构成共模负反馈电路，如图所示。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计

56、江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共模电平的检测方法共模电平的检测方法可变电阻法可变电阻法o 在上图中，相同的三极管在上图中，相同的三极管M1与与M2工作在深工作在深三极管区，由于在深三极管区的三极管区，由于在深三极管区的MOS的电的电阻可表示为：阻可表示为： 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 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室共

57、模电平的检测方法共模电平的检测方法可变电阻法可变电阻法o 上式表明总电阻上式表明总电阻R是是Vo2Vo1的函数但与差模输出的函数但与差模输出Vo2Vo1无关。若两输出电压同时上升，则无关。若两输出电压同时上升，则R下降，下降，而若输出发生不同变化，则一个管子的而若输出发生不同变化，则一个管子的Ron上升而上升而另一个管子的另一个管子的Ron下降。因此从节点下降。因此从节点A到地的电阻到地的电阻值反映了共模电平的变化。值反映了共模电平的变化。o 这种结构的缺点为：这种结构的缺点为：n工作在深线性区的工作在深线性区的M1与与M2的使用限制了输出压摆。表的使用限制了输出压摆。表面看其输出的最小电压为

58、面看其输出的最小电压为Vth7,8，但实际上在此时，但实际上在此时M1与与M2中至少有一个进入饱和区而使上式不成立，因而最小中至少有一个进入饱和区而使上式不成立，因而最小输出共模电平应比该阈值电压高。输出共模电平应比该阈值电压高。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室误差比较技术误差比较技术比较放大器控制级联级电流源比较放大器控制级联级电流源 o 如图所示如图所示 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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

59、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进行比较，并把进行比较，并把比较的结果以反馈形式返回到比较的结果以反馈形式返回到NMOS电流源。电流源。o 如果如果Vo1与与Vo2都上升，则都上升，则VE也上升，则也上升，则M3-M4的的漏极电流增大，从而降低了输出共模电平。也就是漏极电流增大，从而降低了输出共模电平。也就是说若其开环增益高，其反馈网络将迫使说若其开环增益高，其反馈网络将迫使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，反馈只可控制一小为保证系统具有较好

60、的稳定性，反馈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并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一联器件构成，其中一个偏置在恒流源而另一个被一误差放大器驱动。误差放大器驱动。 南南 通通 大大 学学 江苏省专用集成电路设计江苏省专用集成电路设计 重点实验室重点实验室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。如图所示，若流。如图所示，若Vo1与与Vo2上升，则尾