全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路解读

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共源共栅放大器的分析

共源共栅放大器的分析

共源共栅放大器的分析

本学期学习了《集成电路设计方法》这一门课程,感谢谢老师一直悉心地教导,让我们收获良多。通过这门课程,我们对集成电路工艺、mos器件有了一点了解,知道怎样使用EDA软件,以及掌握了一些基本的集成电路的分析与设计方法。其中,共源共栅放大器那一节课令我印象深刻,下面我就以这一小节为例,来谈谈我听课后的感受和收获。

共源共栅级的级联叫做共源共栅结构,如图1所示,它显示了共源共栅电路的基本结构:M1产生与输入电压V in成正比的小信号漏电流,将输入电压信号转变为电流信号;M2仅仅使电流流经R D,将源极的电流信号传输到输出。

图1 共源共栅结构

课上老师给我们分析了共源共栅放大器的大信号特性(传输特性、输出电压范围)、小信号特性(增益、输出阻抗)、作用、高频特性与噪声特性。下面我详细说说我的理解。

大信号特性:当V i

n≤V t1时,M1、M2截止;当V i n≥V t1时,M1、M2都饱和;而V in足够大时,M1进入线性区,M2也进入线性区。如图二所示。

图2 共源共栅级的输入—输出特性

分析偏置条件:为了保证M1工作于饱和区,必须满足V

x ≥V

in

-V

t1

.假如M1和M2

都处于饱和区,则V

X 主要由V

b

决定:V x=V b-V GS2。因此V b≥V in+V GS2-V t1 ,如图3

所示。为了保证M2饱和,必须满足V

out ≥V

b

-V

T2

,如果V

b

的取值是M1处于饱和区

边缘,则V

out ≥V

in

-V

t1

+V

GS2

-V

t2

。从而保证M1和M2工作在饱和区的最小输出电平

等于M1和M2的过驱动电压之和。

全差分运算放大器设计说明

全差分运算放大器设计说明

全差分运算放大器设计

岳生生(6)

一、设计指标

以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器,设计指标如下:

✧直流增益:>80dB

✧单位增益带宽:>50MHz

✧负载电容:=5pF

✧相位裕量:>60度

✧增益裕量:>12dB

✧差分压摆率:>200V/us

✧共模电压:2.5V (VDD=5V)

✧差分输入摆幅:>±4V

二、运放结构选择

运算放大器的结构重要有三种:(a )简单两级运放,two-stage 。如图2所示;(b )折叠共源共栅,folded-cascode 。如图3所示;(c )共源共栅,telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ,即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N

V

之和小于0.5V ,输出端的所有PMOS

管的

,DSAT P

V

之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构,都比较难达到该

要求,因此我们采用两级运算放大器结构。另外,简单的两级运放的直流增益比较小,因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大,故我们选择直接共源共栅的输入级,最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性,我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。

三、性能指标分析

1、 差分直流增益 (Adm>80db)

该运算放大器存在两级:(1)、Cascode 级增大直流增益(M1-M8);(2)、共源放大器(M9-M12) 第一级增益

1

3

5

11135711

全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路

全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路

一毕业设计(论文)进展情况

60

为什么要使用两级放大器,两级放大器的优点:

单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗,因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中,增益是与输出摆幅是相矛盾的。

GB GB GB ()()()

p p z

的相位裕量,所以

2.2 10L

C

因此由补偿电容最小值

即可以得到2m1

12'

1

g (/)(/)2/12N W L W L K I ==≅ 用负ICMR 公式计算5Dsat V 由式(12)我们可以得到下式

15(min)IC SS GS Dsat V V V V =++

如果5DS V 的值小于100mv ,可能要求相当大的5(/)W L ,如果5Dsat V 小于0,则ICMR 的设计要求则可能太过苛刻,因此,我们可以减小5I 或者增大5(/)W L 来解决这个问题,我们为了留一定的余度我们(min)IC V 等于-1.1V 为下限值进行计算

15

2

511

(min)Dsat IC TN SS I V V V V β=---(

则可以得到的5Dsat V 进而推出

555'2

552(/)()Dsat S W L K V ==

(I )

11/1≅

即有58(/)(/)11/1W L W L =≅

为了得到60°的相位裕量,6m g 的值近似起码是输入级跨导1m g 的10倍(allen 书p.211例6.2-1),我们设us g g m m 9421016==,为了达到第一级电流镜负载(M3和M4)的正确镜像,要求46SG SG V V =,图中x ,y 点电位相同

模拟集成电路设计——两级全差分高增益放大器设计_2

模拟集成电路设计——两级全差分高增益放大器设计_2

全差分高增益放大器的设计

一、设计产品名称

全差分高增益放大器

二、设计目的

1.掌握模拟集成电路的基本设计流程;

2.掌握Cadence基本使用方法;

3.学习模拟集成电路版图的设计要点;

4.培养分析、解决问题的综合能力;

5.掌握模拟集成电路的仿真方法;

6.熟悉设计验证流程方法。

三、设计内容

全差分高增益放大器(Full-differential OTA)是一种非常典型的模拟IP, 在各类模拟信号链路、ADC.模拟滤波器等重要模拟电路中应用广泛, 是模拟IC 设计人员必需掌握的一种基础性IP 设计。

采用华大九天Aether 全定制IC 设计平台及其自带的0.18um PDK, 设计一款全差分高增益放大器电路, 完成电路图设计、前仿真、Layout 设计和物理验证

(DRC&LVS)。考虑以下OTA 架构:

图1 OTA架构

四、电路设计思路

模拟集成电路的设计分为前端与后端, 设计流程可以分为明确性能要求、选择电路结构、计算器件参数、原理图绘制、前仿真、版图绘制、DRC设计规则检查、LVS版图与电路图一致性检查、寄生参数提取及后仿真、流片测试。本次实验使用基于华大九天Aether 全定制IC 设计平台及其自带的0.18um PDK, 实现模拟集成电路全差分高增益放大器的全流程设计与仿真。

(1)性能指标:

需要验证三种PVT Corner:

a) 电源电压1.8V, 温度27℃, corner 为TT;

b) 电源电压1.6V, 温度80℃, corner 为SS;

c) 电源电压2.0V, 温度-40℃, corner 为FF;

全差分放大器(一)

全差分放大器(一)
图 1 给 出 了 集 成 全 差 分 放 大 器 ( THS41xx 或 THS45xx) 的简化电路。Q1 和 Q2 是输入差分对。加 在 IN+和 IN- 的电压相同, 流经 Q1 或 Q2 的电流不 变, 因此不产生输出电压。Vocm 误差放大器对输出 共模电压进行采样, 与 Vocm 电压比较, 并调整内部 反馈, 从而使输出共模电压与 Vocm 引脚的电压相
- 70- ●TI 专栏
《国外电子元器件》2007 年第 12 期 2007 年 12 月
全差分放大器(一)
James Karki AAP Precision Analog
摘要: 差分信号固有的外部噪声抑制特性使其多年来普遍应用于音频、数据传输和电话系统。如 今, 差分信号技术正在高速数据采集领域日益普及, 这种应用场合中 ADC 带有差分输入, 需要差分 放大器来驱动。差分信号还可减少偶次谐波和增加动态范围。重点讨论集成全差分放大器的结 构、电压定义及应用( 包括与差分 ADC 输入的接口电路, 抗混叠滤波器以及驱动传输线) 。 关键词: 全差分放大器; 数据采集; 噪声抑制
图 1 全差分放大器简化电路
等。Vocm 悬空时, Vocm 电压通过内部分压器偏置 到 VCC 和 VEE 的中点。 1.2 电压定义
图 2 为全差分放大器及其输入和输出电压的 定义。输入差分电 压 Vid 是输入 电压 VIN+和 VIN- 之 差, 输入共模电压 Vic 是两个输入电压的平均值。输 出差分电压 Vod 是输出电压 VOUT+和 VOUT- 之差。输出 共模电压 Voc 是两个输出电压的平均值, 由 Vocm 电 压控制。a(f)为放大器的差分 增益, 与频率 有关, 即 Vod=Vid×a(f)。

全差分两级放大电路

全差分两级放大电路

综合课程设计研究报告

课题名称:全差分两级运放

研究人员:

指导教师:王向展宁宁

201 年1月1日

微电子与固体电子学院

目录

一、绪论 (1)

(一)研究工作的背景与意义 (1)

(二)国内外现状分析 (1)

二、研究目标、研究内容与技术指标 (1)

(一)研究目标 (2)

(二)研究内容 (2)

(三)关键技术 (2)

(四)技术指标 (3)

三、电路工作原理 (3)

(一)电路结构理论 (4)

(二)关键电路模块 (4)

(三)非理想效应 (5)

四、电路设计与仿真 (6)

(一)电路设计方案 (6)

(二)电路设计结构 (9)

(三)电路仿真及结果 (10)

五、全文总结与展望 (12)

参考文献 (13)

一、绪论

(一)研究工作的背景与意义

随着模拟集成电路技术的发展,高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面,较单端输出运放有很大优势,成为应用很广的电路单元。另外,全差分输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍,这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要,因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此,本文讨论并设计了满足一定要求的全差分运算放大器。

(二)国内外现状分析

从第一颗运算放大器IC问世到现在,运算放大器技术已经在半导体制造工艺和电路设计两方面取得了巨大进展。在大约40年的发展过程中,IC制造商们利用上述先进技术设计出了近乎“完美”的放大器。虽然什么是理想放大器很难有一个精确定义,但它却为模拟设计工程师提供了一个目标。理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压,它还应该不受封装尺寸限制,不占用空间。上述这些,都是许多教科书为了得到简单的传递函数而做出的种种假设。

共源共栅放大器.

共源共栅放大器.

摆幅,Von1+Von2<Vout<VDD-|VGS4-VTH4|
共源共栅级——小信号特性
增益
两个晶体管工作在饱和区;假设λ= 0,
由于输入管产生的漏电流必定流过 整个共源共栅级电路,所以
AV=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin
而V1= Vin ,所以AV=-gm1RD
当忽略沟道长度调制效应时,共源共 栅级放大器的电压增益与共源级放大 器的电压增益相同。
g
m
W I L
D
1 I
D
1
L增大四倍的结果只是使gmro的值增大两倍
L
而共源共栅结构却使得输出阻抗大约增大gmro倍
共源共栅级的屏蔽特性
Vout端有△Vout的电 压跳变时,表现在X点 的电压跳变 VX =?
VX
1 g m 2 g mb 2 ro 2 ro1 ro 2 1 Vout g m 2 g mb 2 ro 2

g m 2 g mb 2 1 g m1
g m1 g m 2 2CGD1 CGD1
共源共栅放大器频率特性分析
节点Y:密勒近似
CY CDB 2 CL CGD 2 RY RD
g m 2 g mb 2 ro1ro 2 RD
大信号特性

全差分运算放大器中共模稳定性的分析

全差分运算放大器中共模稳定性的分析
de ini g a b l n e ifr n ilo r to l mp : e , i tr a sg n aa c d d fe e ta pe aina a lf r i n e n lCMFB ic ir n x e n  ̄e b e ewo k a e cr u ty a d e tr a l d a k n t r r
s at t es’

T e cr u t mp e n e n 0 1 u CMOS mie in l r c s f MI sp e e t d b s d o l e h i i i l me t d i . 8 m c x d sg a o e so p S C i r s n e . a e n af d d o
fe b c o p e d a k l o s;Lac i gsae t h n tt
1 引言
在现代集成 电路 中,全差分放大器被广泛 的运
用 , 为全 差分 放 大器 相 比较 于单 端 运放 有 更 大 的பைடு நூலகம் 因 输 出 电压 摆 幅 、 高 的共 模 抑 制 比 ( MR 、 强 更 C R) 更
i v s g t d T e f r ri s r st e a l e ty s b l y a d t e lt rs o l e c r f l o a od ‘ac i g n e t ae . h o me u e h mp i rsa t i t , n h t h u d b ae u l t v i i n i f a i a e y lt h n

全差分增益提高运算放大器的分析与设计

全差分增益提高运算放大器的分析与设计

第28卷 第2期2005年6月电 子 器 件

Chinese Journal of Elect ron Devices Vol.28 No.2J un.2005

Analysis and Design of Fully Differential G ain 2Boosted Opamp

W A N G J i n 1

,Q I U Yu 2li n 1

,T I A N Ze

2

1.I nstit ute of Microelect ronic of Chinese A cadem y of S ciences ,Bei j ing 100029,China;

2.Depart ment of Elect ronic Science ,N ort hwestern Universit y ,X i ’an 710069,China

Abstract :The gain 2boosting technology is presented and analyzed.Wit h gain 2boosting ,a f ully differential gain 2boo sted telescopic cascode opamp is propo saled and designed.The main opamp is a f ully differential telescopic opamp and has a switched capacitor CM FB circuit.The boo sting opamp is a f ully differential fol 2ded cascode opamp and has a co ntinuous time CM FB circuit.The opamp is designed in SM IC 0.35μmixed 2signal CMOS p rocess wit h 3.3V power supply and achieved a dc gain of 129dB wit h a 161M Hz unity gain f requency.

全差分电路放大分析详解

全差分电路放大分析详解

全差分放大的分析

Introduction

本文通过分析增益和噪声来更深入地探讨该话题,全差分放大器有着多个反馈路径,并且电路分析需要密切注意细节。我们必须注意包含Vcom 引脚从而保证一次完整分析。

Circuit Analysis

全差分放大器的电路分析遵循与通常单端放大器一样的规则,但是这里有一些微妙的地方可能不会被完全领会直到全部分析被做完为止。图1所示的分析电路使用来计算归一化电路公式和框图的,从这里开始,待定的dialup 配置可以被较容易地解决。电压定义也被需要使用从而达到特定的解决方案。

AF 是用来代表放大器的开环差分增益即V out+ -V out- =AF (VP-VN )。这样认为差动放大器两边的增益时完美匹配的并且增益的变化也无关紧要。在负反馈的情况下,当AF>>1时,这通常是典型情况。 Input voltage definitions: ID IN IN V V V +-=-(1)

2

IN IN IC V V V +-

+=

(2) Output voltage definitions:

OD OUT OUT V V V +-=-(3)

2

OUT OUT OC V V V +-

+=

(4)

()OUT OUT P N V V AF V V +--=-(5)

V oc=V ocm (6)

这里有两个运算放大器:主差分放大器(从Vin 到V out )和VOCM 误差放大器。VOCM 误

差放大器的操作是两者中较为简单的并且将会被我们优先考虑。他可以帮助我们回顾参考1中所示简化后的原理图。 V out+ 和Vout-被内部的RC 网络滤除并且求和。VOCM 放大器采集该电压并且将它与送入VOCM 引脚的电源相比较。内部反馈环路被用于驱动VOCM 误差放大的“误差”电压(在输入引脚之间的电压)至零,从而V oc=V ocm.这是上述方程给出的电压定义的基础。 在这里没有简单的方法分析主差分放大器,除了坐下来并写出一些节点分方程然后做代数运算将他们以实际的形式呈现出来。我们将会首先或缺一个仅基于节点分析的解决方案。然后我们将会利用方程1-6中给出的电压定义来得到输出电压的解决方案,即将他们看成是单端的;举个例子,V out+和V out-.这些是用于计算VOD 的。 解出Vn 和Vp 处的节点方程得到:

全差分折叠共源共栅

全差分折叠共源共栅

全差分折叠共源共栅

全差分折叠共源共栅(Fully Differential Folded Cascode)是一种常用的电路结构,在集成电路设计中被广泛应用。它是一种运算放大器的结构,能够实现高增益、高带宽和高共模抑制比等优势。

全差分折叠共源共栅电路的基本结构由差分对、折叠电流镜、共源共栅级和输出级组成。差分对由两个共源放大器组成,输入信号被分别接到两个共源放大器的栅极上。折叠电流镜用来提供稳定的偏置电流,使得整个电路工作在恒流模式下。共源共栅级由两个共源共栅放大器组成,其中一个作为主放大器,另一个作为负反馈放大器。输出级由两个共栅放大器组成,输出信号由主放大器的漏极输出。

全差分折叠共源共栅电路具有以下优点。首先,由于采用了全差分结构,能够有效抵消共模干扰,提高共模抑制比。其次,折叠电流镜使得电路的输出电流与输入电流保持一致,增强了电路的线性度。此外,共源共栅级和输出级的级联结构,使得电路具有较高的增益和带宽。

在实际应用中,全差分折叠共源共栅电路常用于模拟电路的设计,如运算放大器、滤波器等。在运算放大器中,全差分折叠共源共栅电路能够实现高增益和高带宽,满足了信号放大和信号处理的需求。在滤波器中,电路的高增益和高带宽能够提高滤波器的性能,使其具有更好的滤波效果。

然而,全差分折叠共源共栅电路也存在一些问题。首先,由于电路结构复杂,布局和布线困难,对工艺要求较高。其次,由于电路中存在多个级联放大器,噪声会被级联放大,影响电路的信噪比。此外,电路的共模抑制比和增益对温度和工作电压的变化敏感,需要进行相应的补偿和校准。

全差分运算放大器结构框图解析 常见的全差分运算放大器电路分析

全差分运算放大器结构框图解析 常见的全差分运算放大器电路分析

全差分运算放大器结构框图解析常见的全差分运算放大器电路分析

全差分(运算放大器)就是一种具有差分输入,差分输出结构的运算(放大器)。(差分放大器)相对于单端输出的放大器具有如下一些优势。首先,由于随着CMOS 工艺尺寸不断缩小,从0.5μm 减小至0.35μm,0.18μm,90nm,(芯片)的(供电)电压也不断减小从5V降到3.5V,1.8V,1.2V甚至更低。在如此低的供电电压的情况下,单端输出的运算放大器很难能理想地工作,为了保证电路能够得到足够大的(信号)摆幅,我们需要采用全差分的运算放大器结构。其次,全差分运算放大器能够有效抑制电路的共模信号,并且能够减小电路的偶次谐波失真。但是为了得到这些性能,全差分运算放大器需要一个共模反馈环路来控制输出的共模电平。理想情况下,这个共模反馈控制环路会使得输出的共模电平稳定在VDD/2。所以,一个全差分放大器通常由主放大器和共模反馈环路两部分组成,它在现代的(电路设计)中应用非常广泛。

1.全差分运算放大器结构框图

共模反馈的基本思想就是由一个共模采样电路取得电路的输出共模信号,然后把共模信号与一个参考信号相比较,将比较后的误差信号放大后再输入主放大器以调节输出共模电压。对于输入的差分信号来说,共模反馈环路不会对交流信号产生影响,相当于说共模环路对于交流是开路的。所以,电路的差分增益和相位就由主放大器决定。但是,对于输入的共模信号,共模反馈环路决定了输出的共模电平,这时,共模环路的增益和相位就会对电路的输出共模电平的精度和稳定性产生影响。

全差分放大器在应用中的一种电路形式,差分输出的信号摆幅vO1-vO2 为单端信号vO1(vO2)摆幅的两倍,所以在输出端可以有较大的输出动态范围,相对于单端输出提高了处理信号的幅度能力。

共源共栅差分放大电路

共源共栅差分放大电路

共源共栅差分放大电路

共源共栅差分放大电路是一种常用的差分放大电路结构。它由两个MOSFET (MOS场效应晶体管)组成,一个作为共源放大器,另一个作为共栅放大器,通过它们的互补工作,使得差分输入信号能够被放大并传输。

在共源共栅差分放大电路中,差分输入信号被分别输入到两个MOSFET的源极,而栅极则分别连接到共源放大器和共栅放大器的输出信号。通过这种方式,当输入差分信号变动时,共源放大器和共栅放大器的工作状态会相应调整,使得差分信号被放大,而共模信号(即两个输入信号的平均值)则不会被放大。

共源共栅差分放大电路具有以下特点:

1.具有高增益和高输入阻抗,能够放大微弱的差分信号。

2.具有良好的共模抑制比,能够抑制共模信号的放大,减小对差分信号的干扰。

3.输出信号的相位与输入信号相反,可以实现相位反转的功能。

这种差分放大器常用于模拟电路中,如操作放大器、振荡器、滤波器等电路中。它在信号处理和通信系统中起着重要的作用。

共模差分放大电路

共模差分放大电路

共模差分放大电路

摘要:

1.共模差分放大电路的基本原理

2.共模差分放大电路的组成部分

3.共模差分放大电路的性能优势

4.共模差分放大电路的应用领域

5.设计共模差分放大电路的注意事项

正文:

共模差分放大电路(Common Mode Differential Amplifier)是一种在电子电路中广泛应用的放大器,它的主要作用是对输入信号进行放大处理。与传统放大器相比,共模差分放大电路具有更好的抗干扰性能和放大效果。下面我们将详细介绍共模差分放大电路的基本原理、组成部分、性能优势以及应用领域。

一、共模差分电路的基本原理

共模差分放大电路的工作原理是基于输入信号的共模分量和差模分量。共模分量是指输入信号的两个输入端电压的平均值,而差模分量是指输入信号的两个输入端电压的差值。共模差分放大电路通过放大差模分量来达到放大输入信号的目的,同时具有抑制共模分量的能力,从而提高电路的抗干扰性能。

二、共模差分电路的组成部分

共模差分放大电路主要由输入端、输出端和放大器组成。输入端包括两个输入端,用于接收输入信号;输出端用于输出放大后的信号;放大器是共模差

分放大电路的核心部分,主要包括差分放大器和反馈网络。

三、共模差分电路的性能优势

1.抗干扰性能强:共模差分放大电路能够有效地抑制共模干扰,提高电路的抗干扰能力。

2.放大效果好:共模差分放大电路能够将输入信号的差模分量进行放大,实现较高的放大倍数。

3.稳定性高:共模差分放大电路具有较好的稳定性,不易受到外部环境因素的影响。

4.线性度好:共模差分放大电路具有较好的线性度,能够保证输出信号与输入信号之间的线性关系。

全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路

全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路
2.2 运算放大器的性能参数指标............................................................................... 10 2.3 典型运放对比................................................................................................... 13 2.4 本章小结............................................................................................................... 15 第 3 章 运算放大器的设计............................................................................................. 16 3.1 运算放大器的基本结构....................................................................................... 16 3.2 两级运算放大器的设计方法............................................................................... 17 3.3 全差动运算放大器.............................................................................................. 20 3.4 套筒式共源共栅运算放大器结构...................................................................... 24 3.5 折叠式共源共栅运放算放大器结构.................................................................. 31 3.6 共模负反馈电路.................................................................................................. 34

全差分运算放大器电路

全差分运算放大器电路

全差分运算放大器电路

全差分运算放大器(Fully Differential Operational Amplifier)是一种电路,通常用于测量差分信号,即两个信号之间的差异。它可以将两个输入信号相减,输出其差分信号,并具有高共模抑制比(Common-Mode Rejection Ratio,CMRR)的特性,这使得它对于共模信号的抑制能力非常强。

全差分运算放大器的主要特点包括:

1.差分输入:它接受两个不同的输入信号,可以测量它们之间的

差异。

2.共模抑制比(CMRR):这种放大器设计旨在最大程度地抑制共

模信号,即同时出现在两个输入上的信号,以便更好地提取差分信号。

3.高增益:通常,全差分运算放大器具有较高的开环增益,以确

保小差分信号的放大。

4.常用于差分测量:它通常用于需要测量差分信号的应用,如传

感器接口、音频处理和高速通信系统等。

需要注意的是,实际的全差分运算放大器电路可能更加复杂,具有额外的电路元件和性能特性,以满足特定应用的要求。在设计和应用中,应根据实际需求来选择适当的操作放大器和电阻值。

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一 毕业设计(论文)进展情况

运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分,也是构成这些系统的基本单元. 因而设计高性能的运算放大器可以使系统的总体性能得到提高。

一、两级运算放大器分析

两级CMOS 运算放大器的设计

V DD

V SS

M1

M2

M3M4M5

M6

M7

M8

Vn

C L

C c

vout

vin1

vin2

iref

x

y

3

I d5

两级CMOS 运算放大器

1、基本目标

参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器,满足以下指标:

5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-

5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>

out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤ 相位裕度:60

为什么要使用两级放大器,两级放大器的优点:

单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗,因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。在单级放大器中,增益是与输出摆幅是相矛盾的。要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值,但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。为了缓解这种矛盾引进了两级运放,在两极运放中将这两点各在不同级实现。如本文讨论的两级运

放,大的增益靠第一级与第二级相级联而组成,而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。

典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 边界条件

要求

工艺规范 见表2、3

电源电压 %105.2±±V

电源电流 100Μa 工作温度范围

0~70°

特性

要求

增益 dB 70≥

增益带宽 ≥5MHz

建立时间 s μ1≤ 摆率 s /5μV ≥

ICMR ≥V 5.1± CMRR ≥60dB PSRR ≥60dB 输出摆幅 ≥V 5.1±

输出电阻 无,仅用于容性负载

失调 mV 10±≤

噪声 ≤100Hz nV (1kHz 时) 版图面积

≤50002)(最小沟道长度

⨯ 表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性

2、两级放大电路的电路分析

图1中有多个电流镜结构,M5,M8组成电流镜,流过M1的电流与流过M2电流

1,23,45/2d d d I I I ==,同时M3,M4组成电流镜结构,如果M3和M4管对称,那么相同的结构使得在x ,y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化,为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。图1所示,Cc 为引入的米勒补偿电容。

表2 0.5m μ工艺库提供的模型参数

CSMC 0.5um Double Poly Mix CMOS process model 工艺参数 0th V ox t 0μ NMOS 0.7016 1.28E-8 404.257 PMOS -0.9508 1.24E-8 219.5

单位

V

m

2

cm

V S

表3 一些常用的物理常数

常数符号

常数描述 值

单位

KT

室温下 214.14410-⨯ J

自由空间介电常数 148.85410-⨯ F cm ox ε

二氧化硅的介电常数

-133.510⨯

F cm

利用表2、表3中的参数

/OX ox ox C t ε= 0ox K C μ'=

计算得到

2110/N

K A V μ'≅ 262/P

K A V μ'≅ 第一级差分放大器的电压增益为:

1

124

m v ds ds g A g g -=

+ (1)

第二极共源放大器的电压增益为

6

267

m v ds ds g A g g -=

+ (2)

所以二级放大器的总的电压增益为

1626

1224675246672()()

m m m m v v v ds ds ds ds g g g g A A A g g g g I I λλλλ===++++ (3)

相位裕量有

111121180tan ()tan ()tan ()60M GB GB GB

p p z ---Φ=±---=

要求60°的相位裕量,假设RHP 零点高于10GB 以上

11102

tan ()tan (

)tan (0.1)120v GB

A p ---++=

102

tan (

)24.3GB

p -= 所以2 2.2p GB ≥ 即

622.2()m m L c

g g

C C > 由于要求60 的相位裕量,所以626210()10m m m m c c

g g

g g C C >⇒>

可得到 2.20.2210

L

c L C C C >==2.2pF 因此由补偿电容最小值2.2pF ,为了获得足够的相位裕量我们可以选定Cc=3pF 考虑共模输入范围:

在最大输入情况下,考虑M1处在饱和区,有

3131(max)(max)DD SG n IC n TN IC DD SG TN V V V V V V V V V V --≥--⇒≤-+ (4)

在最小输入情况下,考虑M5处在饱和区,有

1515(min)(min)IC SS GS Dsat IC SS GS Dsat V V V V V V V V --≥⇒≤++ (5)

而电路的一些基本指标有

11m v C g

p A C =- (6)

62m L g

p C =- (7)

6

1m C g z C = (8) 1m C g

GB C = (9)

CMR:

正的CMR 5

in

313

()()DD T T I V V V β--+(最大)=V 最大最小 (10)

负的CMR 5

in

151

()()SS T DS I V V V β+++(最小)=V 最大饱和 (12)

由电路的压摆率5

d C

I SR C =

得到 5d I =(3*10-12)()10*106)=30μA(为了一定的裕度,我们取40iref A μ=。)则可以得到,

1,23,45/220d d d I I I A μ===

下面用ICMR 的要求计算(W/L)3

53'2331()()[]

DD SG TN I W

L K V V V =-+≅11/1 所以有3()W L =4()W

L =11/1

由1m C

g

GB C =,GB=5MHz ,我们可以得到6121510231094.2m g s πμ-=⨯⨯⨯⨯=

GB 是单位增益带宽

P1是3DB 带宽 GB=1p A v ⋅

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