7两级CMOS运算放大器设计分析

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反馈系统
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两级CMOS运放的稳定性分析
反馈信号必须满足一定的相位和幅值条件，以避免信号产生再生现 象，即满足下式：（如果出现了再生，就可能使运放产生振荡 ）
A jw0 F jw0 L( jw0 ) 1
其中ω0定义为：
Arg A( jw0 )F ( jw0 ) ArgL( jw0 ) 0

芯片面积（Silicon Die Area）
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两级CMOS运算放大器的基本结构
（a） 无补偿运放

（b）有补偿运放


M1和M2的宽长比相等，M3和M4的宽长比相等; 两级运放的电路具有两个高阻节点A和B，这就是说电路存在两个主极 点，因而降低了运放的相位裕度; 为了使运放稳定工作，通常在两级运放的第一级和第二级之间中加入 补偿电容，即在A点和B点之间加入补偿电容Cc（Miller电容），通过




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两级CMOS运算放大器设计
一、两级运放的概念、组成与电路结构 二、两级运放的频率补偿 三、两级运放的一般设计方法 四、两级运放的仿真和测试 五、两级运放的版图设计
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两级CMOS运算放大器的提出

差分放大器可以称为一级运算放大器，其电路的增益由输入对管的跨
的放大、微分、积分、求积、对数等运算功能；

理论上说，运放的差模电压增益为无限大，输入阻抗也是无限大，输
出阻抗为零，但实际的运放的性能只能接近这些值 ；

运放作为一种有足够正向增益的放大器，当加上负反馈时，其闭环转 移函数与运放增益无关 ；
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CMOS运算放大器的基本分类

两级CMOS运算放大器 套筒式共源共栅CMOS运算放大器（单级） 折叠共源共栅CMOS运算放大器（单级） Rail-to-Rail CMOS运算放大器 Chopper CMOS运算放大器
1 RII C II
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有补偿两级运放的小信号模型
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两级CMOS运放的稳定性分析
也就是说，稳定性是由单位开环增益的相位值决定的，即由相位裕度决定。 所以系统稳定性的重要体现就是运放的相位裕度较大，一般运放的相位裕度 要求在60o左右。
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无补偿两级运放的小信号模型
无补偿运放的二阶模型，为使结果通用，用角标I表示第一级的元件，角标II代
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二、两级运放的频率补偿

运放一般用在负反馈结构中，在此结构中，相当高而又不确定的开环增益和
反馈一起作用，可以获得一个很准确的转移函数，它是含有反馈参数的函数

下图表示了一种通用的负反馈结构，图中A是放大器增益，通常是运放的开 环差分电压增益，F是从运放的输出通过负反馈，回到输入的转移函数 如果直流开环增益A(0)在1000到2000之间，而F(0)＝1，则前向增益在0.999 到0.9995之间变化。如果回路增益很高，则可用反馈网络来精确控制前向转 移函数。这就是运放的应用原理。
表第二级的元件;
其中RІ（RІІ）是从运放的第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电阻， CІ（CІІ）是从运放地第一（二）级的输出端“看到的”与地之间的电容。
C Cgd 2 Cgd 4 Cgs5 Cdb2 Cdb4
C Cgd 6 Cdb5 Cdb6 CL


相位裕度（Phase Margin）
失调电压（Offset Voltage） 建立时间（Setting Time）
45< PM< 75
VOS<20mV TSET<1us


电源抑制比（PSRR）
共模抑制比（CMRR）
>60dB
>60dB
输出电压摆幅（Output Voltage Swing） >1.5V（Rail-to-Rail：0~3.3V）
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补偿电容的反馈作用，把两个极点拉开。
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密勒定理
（a）
（b）
Z1

V Y X
Z Z , Z2 1 AV 1 AV 1
A V / V ，是所关心频率下的小信号增益， 式中， 通常为简化计算，我们一般用低频增益来代替AV， 这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。
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上述条件也等价为：
Arg A( jw0dB )F ( jw0dB ) Arg L( jw0dB ) 0
其中ω0定义为：
A jw0 dB F jw0 dB L( jw0 dB ) 1
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波特图
1、幅频曲线中，每经过一个极点ωP(零点ωZ)，曲线斜率以-20dB/dec (+20dB/dec )变化。 2、相频曲线中，相位在0.1ωP(0.1ωZ)处开始变化，每经过一个极点ωP(零点 ωZ)，相位变化-45° (±45°)，相位在10ωP(10ωZ)处变化-90° (±90°) 3、一般来讲，极点 (零点)对相位的影响比对幅频的影响要大一些。
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Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design --两级CMOS运算放大器设计
西安电子科技大学微电子学院 刘帘曦
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一、运放的概念、组成与电路结构

运算放大器（简称运放）是模拟电路和混合信号电路中最主要的电路
模块之一。将运算放大器配以各种辅助电路，则可以实现对输入信号
A0'' Vout ( s) gm1R1 g m R'' 传输函数 ： Vin (s) ( s ' )( s ' ) ( s ' )( s ' )
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1 ` P 两个极点的位置： I RI C I
` PII
导与输出阻抗的乘积来决定，因而一般都无法达到高的增益 ；

共源共栅结构虽然在一定程度上提高了电路增益，但是却限制了电路 的输出摆幅 ；

提出两级放大器的结构。
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CMOS两级运算放大器的基本特性（性能指标）

直流开环增益（DC Open-Loop GainFra Baidu bibliotek >70dB 单位增益带宽（Unit-Gain Bandwidth） >5MHz