模拟集成电路复习课件

ReviewDifferentialsignal差分放大器的优缺点优点：对环境和电源等共模干扰的抗干扰能力强电压摆幅大线性度好缺点和单端电路相比，差分电路规模加倍，面积增加差分放大是模拟电路的最重要的电路模块和电路发明之一Differentialamplifier差模增益和单管M1、M2表达式相同例：偏置电流相同增益小于单管Differentialamplifier差动对的小信号分析方法一：采用叠加法例：双端输入双端输出：单端输入双端输出：双端输入单端输出：当电路不对称时，同样可以采用这种分析方法。Differentialamplifier小信号分析方法二：半边电路法辅助定理：

如果电路对称，当Vin1从V0变化到V0+ΔVin，Vin2从V0变化到V0-ΔVin，且电路线性，则：Vp不变。即：全差分输入时，P点为交流地。半边电路概念分析法→简化成半边电路。条件是，对称的电路结构。Differentialamplifier半边电路法分析全差分输入电路简化差模增益推导Differentialamplifier非全差分输入电路分析输入信号不是大小相等、方向相反、Vp不是交流地将输入分为差模输入部分和共模输入部分分别计算差模和共模响应后在用叠加定理Differentialamplifier

共模分析输入信号的动态范围输入共模信号vin很小时，M1、M2off，M3处于线性区。M1

和M2导通的条件：输出共模电平和输入共模电平无关直观地，M1和M2构成一个源跟随器Differentialamplifier

共模分析当Vin继续上升时M1、M2进入线性区共模输入电压范围：输入共模对差分增益的影响当Vin>Vth时，差模增益逐渐增加。在M3饱和后差模增益稳定当M1/2进入线性区后，差模增益下降Differentialamplifier

输出电压摆幅考虑M1、M2不能进入线性区，则：差分输出电平不是确定的。例如：当M2off时，Vx得到最低电平。M1在饱和区的条件是结论是：Vin.cm↓，输出范围↑Differentialamplifier

尾电流源Iss的作用若尾电流源是理想电流源，（ro=∞）则Vout不会变化，Vx=Vy=常量若尾电流源不是理想电流源，（ro≠∞）则Vout会变化，Vx=Vy≠常量若尾电流源ro≠∞，且不对称。则Vx≠Vy≠常量。输入共模电平引起输出差模信号的变化。这是不希望的。定义共模抑制比（CMRR）：ADM是差模增益，ACM-DM是共模引起的输出差模增益Differentialamplifier共模响应：考虑非理想条件下，电路对共模扰动的抑制能力考虑尾电流源的有限输出阻抗Rss。电路是对称的：负载电阻不对称输入共模输出差模信号Differentialamplifier共模响应：输入对管不对称考虑如图是小信号等效电路同理：Differentialamplifier频率特性Differentialamplifier负载电阻用MOS管代替MOS二极管负载和共源级相似，能提供良好的线性度电流一定摆幅下降。例：若Differentialamplifier电流源负载：提高输出阻抗CompensationtechniquesofopampSingle-stageCMOSOTA:GBWCompensationtechniquesofopampSingle-stageCMOSOTA:GBWCompensationtechniquesofopampSingle-stageCMOSOTA:GBWDifferentialamplifier共源共栅结构：提高输出阻抗增益↑输出摆幅↓需稳定输出共模电平Differentialamplifier折叠共源共栅CMOSOTADifferentialamplifier折叠共源共栅CMOSOTASymmetricalOTASymmetricalOTA增益提升技术辅助放大器共源放大器结构摆幅下降差分共源结构增益提升技术Differentialdiode-connectedMOSTs增益提升技术电流消除技术增益提升技术Bootstrappingforhighinputimpedance增益提升技术BootstrappingforhighinputimpedanceR1

两端的电压变化为零，被CF自举掉了增益提升技术BootstrappingoutanoutputresistanceSymmetricalOTA

增益提升---通过电流抽取M3的偏置电流下降导致输出电阻增加增加输入跨导

通过电流消除引入负阻增加输入跨导

通过电流消除引入负阻Stabilityofopamp基本概念：负反馈系统的稳定性基本的负反馈系统当环路增益，闭环增益无限大，电路振荡振荡条件——“巴克豪森”判据（Barkhausen’sCriteria）负反馈本身有180度相移，所以，环路总相移为360度H(s)是放大器，，和ω无关，则传递函数Stabilityofopamp稳定系统与不稳定系统稳定条件：增益交点GX<相位交点PX相位交点：PX，相位=-180°时的角频率；增益交点：GX，增益=1时的角频率。当β增加，PX不变，GX增加，则最坏条件是βH＝HStabilityofopamp复平面上闭环系统的极点位置与稳定性随着环路增益的变化，在复平面画出各极点的轨迹，称根轨迹图根轨迹图可用于分析稳定性Stabilityofopamp相位裕度和电路的闭环阶跃响应稳定性表明达到最终值得时间短例：闭环增益幅频曲线在GX点有一个过冲

表明瞬态响应有一个减幅振荡过程Stabilityofopamp各种PM条件下的实际响应曲线例：PM越小，减幅振荡现象越严重；PM越大，系统越稳定，但时间响应减慢。PM必须大于45°，最好等于或大于60°Compensationtechniquesofopamp相位裕度PM设计：合理设计：Compensationtechniquesofopamp相位裕度PM设计：设单位增益带宽GBW，极点fp1、fp2…fN频率补偿若fp3…fN均远大于单位增益带宽GBWCompensationtechniquesofopampMillerCMOSOTACompensationtechniquesofopampMillerCMOSOTACompensationtechniquesofopampPolesplittingby...CompensationtechniquesofopampMillerCMOSOTACompensationtechniquesofopamp消除右半平面零点方法1：成为负零点方法2：为负零点，与抵消。CompensationtechniquesofopampCutfeedforwardthrough解得：左半平面零点；极点相似CompensationtechniquesofopampCutfeedforwardthrough次极点的数值提高Slewrate例：实际的差分运放输入低到高的转换同样，输入高到低的转换速率M2的栅极电压下降，M1的栅极电压上升，得到对电容的充电电流当输入电压继续增加，使M1抽掉Iss全部电流，M2关断。运放经历输入低到高的转换。转换速率＝Slewrate套筒式差分运放折叠式差分运放转换速率为：若转换速率为：若M3关断，X电平下降，M1线性，M2导通，X电平经历摆动后回到平衡态。Slewrate二级运放Slewrate二级运放Slewrate实际的差分运放CMfeedbackCMfeedbackM3、M4在差分和共模放大器中分别是负载和共源放大管CMFB是单位增益反馈CMfeedbackCMfeedbackThedifferentialandcommon-modeamplifiersdon’tnecessarilyhavethesameloadcapacitancesCMfeedbackAllthecapacitanceswhicharepresentattheoutputterminalsofoneamplifierThevirtualgroundsaretakenasrealgroundsCMfeedbackLoadcapacitanceCINDMCMfeedbackLoadcapacitanceCINCMCMfeedbackGBWDM&

GBWCM

例1：极低频和高频下的增益假设所有晶体管均处于饱和区，λ≠0，γ=0，忽略其它电容低频时电容可视为开路

例1：极低频和高频下的增益假设所有晶体管均处于饱和区，λ≠0，γ=0，忽略其它电容高频时电容可视为短路

例2：差模和共模下的低频增益假设所有晶体管均处于饱和区，λ≠0，γ=0，忽略其它电容差模时M3栅极、M1源极虚地，C2忽略，C1是负载

例2：差模和共模下的低频增益假设所有晶体管均处于饱和区，λ≠0，γ=0，忽略其它电容共模时R1短路，C1可忽略，C2是负载M7是源极负反馈电阻例3：传输函数、零极点与PM例3：传输函数、零极点与PM例3：传输函数、零极点与PM例4：二级运放零极点和相位裕度设零点大于10GB，相位裕度大于60°用单位增益频率代替ω得：A0很大，则例4：二级运放零极点和相位裕度补偿电容取值大约是负载电容的1/3例5：one-stageamplifier例：套筒式运放设计设计指标：差分输出摆幅＝3V参数根据power确定电流功耗和偏置电流有关偏置电流与带宽及转换速率有关，一般，例5：one-stageamplifier例：套筒式运放设计根据输出摆幅决定管子的VdsatX、Y的摆幅为1.5v取：取值，放大管负载管尾电流管例5：one-stageamplifier例：套筒式运放设计根据Veff和I确定MOS管的宽长比确定沟道长度，例：例5：one-stageamplifier例：套筒式运放设计计算增益，进行验证结论：使增益增加例5：one-stageamplifier例：套筒式运放设计提升增益的方法方法1：减小方法2：电流不变，增加L、W/L不变例：增加负载电阻降低Vdsat9：0.50.3V例5：one-stageamplifier例