第九章运算放大器
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返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 5
西电微电子：模拟集成电路设计
Y模型
I1 Y11V1 Y12V2 I 2 Y21V1 Y22V2
返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 6
西电微电子：模拟集成电路设计
H模型
V1 H11 I1 H12V2 I 2 H 21 I1 H 22V2
op amp Ch. 9 # 31
西电微电子：模拟集成电路设计
单端输出的共源共栅运放（1）
• 实际电路中，b结构被广泛采用
op amp Ch. 9 # 32
西电微电子：模拟集成电路设计
单端输出的共源共栅运放（2）
Vout ,min Vb1 Vth 4 Vout ,max Vb 2 | Vth6 | Av 0 g m1 Rout Rout g m 6 ro 6 ro8 || g m 4 ro 4 ro 2
Vin,max-Vin,min=Vb-|Vth4|-3Vdsat
• Vb≥ |Vth4|+3Vdsat • Vb越大，输入共模电平摆幅越大
op amp Ch. 9 # 28
西电微电子：模拟集成电路设计
单端输出共源共栅运放的输出范围
• 保证所有晶体管均处于饱和区 • 设所有晶体管的|Vdsat|相等 • 输出下限：
返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 7
西电微电子：模拟集成电路设计
G模型
I1 G11V1 G12 I 2 V2 G21V1 G22 I 2
返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 8
西电微电子：模拟集成电路设计
选择二端网络模型表述反馈网络
反馈网络类型
电压-电压反馈 V1-V2 电流-电压反馈 I1-V2 电压-电流反馈 V1-I2 电流-电流反馈 I1-I2
描述
V2=X21V1+X22I2 V2=X21I1+X22I2
对应模型
G模型 Z模型
I2=X21V1+X22V2
I2=X21I1+X22V2
Y模型
H模型
op amp Ch. 9 # 9
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电压反馈中的负载
（a）G模型 （b）简化的G模型（忽略反馈网 络的反向增益）
Ve (Vin G21Vout ) Vout
G21
G11 : 导纳量纲，反馈网络输 入端看进去的导纳 G22 :电阻量纲，反馈网络输 出端看进去的电阻 G21 : 无量纲
op amp Ch. 9 # 13
西电微电子：模拟集成电路设计
运算放大器 • 定义：高增益的差分放大器 • 用途：实现一个反馈系统 • 开环增益：由闭环电路的精度决定
Z in Z in G22
1 G11 A0Ve 1 Z out G11 1 Z in G11 A0 1 Z in G22 Z out G11 1 Z in G11 1 A0 G21 1 Z in G22 Z out G11
Vout Vin
op amp Ch. 9 # 10
Vout,min=Vb-VGS4+Vdsat4 =Vb-Vth4
• 输出上限：
Vout,max=VDD-|VGS7|-|VGS5|+|VGS6|-|Vdsat6| =VDD-|Vth7|-2Vdsat
• 输出摆幅
Vout,max-Vout,min= VDD-|Vth7|-Vb+|Vth4|-2Vdsat
A0 a (1 e )u (t ) 1 A0 t
1%稳定精度：t1% ln 100 4.6 0.1%稳定精度：t0.1% ln 1000 6.9
稳定精度1％ 稳定时间小于5ns 1/=1+R1/R2=10 则1.09ns fu1/20 1/(2) 1.46 GHz
单位增益放大器的闭环输出阻抗
开环输出阻抗： ro 2 || ro 4 闭环输出阻抗为： Rout ,cl
环路增益：g m1 ro 2 || ro 4 ro 2 || ro 4 1 1 g m1 ro 2 || ro 4 g m1
op amp Ch. 9 # 25
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 3
西电微电子：模拟集成电路设计
二端口线性时不变系统的四种模型
a. b. c. d.
Z模型 Y模型 H模型 G模型
op amp Ch. 9 # 4
Hale Waihona Puke Baidu
西电微电子：模拟集成电路设计
Z模型
V1 Z11 I1 Z12 I 2 V2 Z 21 I1 Z 22 I 2
0
vthn | vthp | 0.7V
op amp Ch. 9 # 34
西电微电子：模拟集成电路设计
全差分共源共栅运放的设计(2)
设计经验 放大管过驱动电压： 200mV 负载管过驱动电压： 200 ~ 500mV 尾电流管过驱动电压： 300 ~ 500mV 过驱动电压分配 Vdsat1 ~ Vdsat4 : 200mV Vdsat5 ~ Vdsat8 : 300mV Vdsat9 : 300mV 功耗分配 I 9 3mA I REF1 I REF2 330uA
• Vb越小，输出摆幅越大 • 输出摆幅的最大值为
VDD-|Vth7|-5Vdsat
op amp Ch. 9 # 29
西电微电子：模拟集成电路设计
双端输出共源共栅运放的输出范围
• 保证所有晶体管均处于饱和区 • 设所有晶体管的|Vdsat|相等 • 输出下限： • 输出上限：
• 输出摆幅
Vout,min=Vb1-VGS4+Vdsat4 =Vb1-Vth4 Vout,max=Vb2+|VGS6|-|Vdsat6| =Vb2+Vthn 2(Vout,max-Vout,min)= 2(Vb2+Vdsat-Vb1+Vth4)
op amp Ch. 9 # 27
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运放的输入共模电平范围
• 保证所有晶体管均处于饱和区 • 输入下限：
Vin,min=VCSS+VGS1 =Vdsat+Vth1+Vdsat1
• 输入上限：
Vin,max=Vb-|VGS4|+Vth1
• 设所有晶体管的Vdsat相等，则
西电微电子：模拟集成电路设计
第九章 运算放大器
董刚 Email: gdong@mail.xidian.edu.cn 2013年6月
op amp Ch. 9 # 1
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 2
西电微电子：模拟集成电路设计
回顾
• 反馈系统中负载的影响
– – – – – 二端口网络模型 电压-电压反馈中的负载 电流-电压反馈中的负载 电压-电流反馈中的负载 电流-电流反馈中的负载
若闭环增益为 10，要求增益误差小于 1 ％，则A1 1000
西电微电子：模拟集成电路设计
如何实现精确的增益 • 开环：不能实现
– 工艺偏差
• 闭环：
– 前馈放大器：开环增益A1足够高 – 反馈放大器：精确匹配
1 A1 其中为增益误差
op amp Ch. 9 # 18
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 20
西电微电子：模拟集成电路设计
本讲内容 • 概述 • 单级运算放大器
– – – – 五管差分运放 共源共栅运放 全差分折叠共源共栅运放 单端输出折叠共源共栅运放
• 两级运算放大器 • 运算放大器设计要点
op amp Ch. 9 # 21
西电微电子：模拟集成电路设计
本讲内容 • 概述 • 单级运算放大器
– – – – 五管差分运放 共源共栅运放 全差分折叠共源共栅运放 单端输出折叠共源共栅运放
• 两级运算放大器 • 运算放大器设计要点
op amp Ch. 9 # 26
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运算放大器
Av0 gm2 gm4 ro 4ro 2 || gm6ro6 ro8
Av ,open
I1 G11 |I 2 0 V1 G22 V2 |V1 0 I2
op amp Ch. 9 # 11
西电微电子：模拟集成电路设计
计算开环增益与闭环增益
Av ,open G21
VY RD1 g m 2 RD 2 || ( RF RS ) Vin RF || RS 1 / g m1 RS RS RF Av ,open 1 G21 Av ,open
西电微电子：模拟集成电路设计
等效开环增益的计算
Vout Vin
1 Z in G11 A0 1 Z in G22 Z out G11 1 Z in G11 1 A0 G21 1 Z in G22 Z out G11 1 Z in G11 A0 1 Z in G22 Z out G11
• Vb2越大，输出摆幅越大 • Vb1越小，输出摆幅越大 • 输出摆幅的最大值为
2(VDD-5Vdsat)
op amp Ch. 9 # 30
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运放的优缺点
• 优点：
– 高增益
• 缺点：
– 输入摆幅、输出摆幅小 – 不宜用做单位增益缓冲器
输出最大值： Vb VGS 4 Vth2 输出最小值： Vb Vth4 输出摆幅：Vth2 Vth4 VGS 4
小信号带宽
• 小信号带宽通常定义为单位增益频率fu • 3dB频率f3dB与fu的示意如下（均为对数坐标）
op amp Ch. 9 # 19
西电微电子：模拟集成电路设计
小信号带宽与信号建立时间的关系
设前馈放大器为单极点 系统 A0 A( s ) 1 s
0
闭环带宽扩展为 (1 A0 )倍 1 1 时间常数 (1 A0 )0 A00 Vin au(t ) Vout
单级运算放大器
低频小信号增益 : Av0 gm1 (ro2 || ro4 ) gm1ro2,4
op amp Ch. 9 # 22
西电微电子：模拟集成电路设计
单级运放的单位增益接法
op amp Ch. 9 # 23
西电微电子：模拟集成电路设计
单级运放的输入共模电平范围
• 保证所有晶体管均处于 饱和区 • 输入下限：
运算放大器设计是一个不断tradeoff的过程
op amp Ch. 9 # 14
西电微电子：模拟集成电路设计
本讲内容 • 概述
– 性能参数
• 单级运算放大器 • 两级运算放大器 • 运算放大器设计要点
op amp Ch. 9 # 15
西电微电子：模拟集成电路设计
运算放大器的性能参数
增益 小信号带宽 大信号带宽 输出摆幅 线性度 噪声与失调 电源抑止
op amp Ch. 9 # 33
西电微电子：模拟集成电路设计
全差分共源共栅运放的设计(1)
性能指标 VDD 3V 输出摆幅 3V 功耗 10m W A v 0 2000 工艺参数 μnCox 60 A/V 2 μ p Cox 30 A/V 2 λn 0.1 V -1 (L 0.5m) λ p 0.2 V -1 (L 0.5m)
op amp Ch. 9 # 16
西电微电子：模拟集成电路设计
增益
• 高开环增益：
– 抑止非线性
R2 R2 R1 理想运放时系统的闭环 增益为 1
1 1 1－ 1＋ 1 A1 A1 1
op amp Ch. 9 # 17
1 实际运放A1，系统的闭环增益为
Vin,min=VCSS+VGS1 =Vdsat+Vth1+Vdsat1
• 输入上限：
Vin,max=VDD-|VGS3|+Vth1
• 设所有晶体管的Vdsat相等，则
Vin,max-Vin,min=VDD-|Vth3|-3|Vdsat|
op amp Ch. 9 # 24
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 12
Av ,closed
西电微电子：模拟集成电路设计
小结：电压-电压反馈中的负载
I1 G11V1 G12 I 2 V2 G21V1 G22 I 2 G11 G22 I1 |I 2 0 的输出端开路 V1 V2 |V1 0 的输入端短路 I2 V2 |I 2 0 的输出端开路 V1
op amp Ch. 9 # 5
西电微电子：模拟集成电路设计
Y模型
I1 Y11V1 Y12V2 I 2 Y21V1 Y22V2
返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 6
西电微电子：模拟集成电路设计
H模型
V1 H11 I1 H12V2 I 2 H 21 I1 H 22V2
op amp Ch. 9 # 31
西电微电子：模拟集成电路设计
单端输出的共源共栅运放（1）
• 实际电路中，b结构被广泛采用
op amp Ch. 9 # 32
西电微电子：模拟集成电路设计
单端输出的共源共栅运放（2）
Vout ,min Vb1 Vth 4 Vout ,max Vb 2 | Vth6 | Av 0 g m1 Rout Rout g m 6 ro 6 ro8 || g m 4 ro 4 ro 2
Vin,max-Vin,min=Vb-|Vth4|-3Vdsat
• Vb≥ |Vth4|+3Vdsat • Vb越大，输入共模电平摆幅越大
op amp Ch. 9 # 28
西电微电子：模拟集成电路设计
单端输出共源共栅运放的输出范围
• 保证所有晶体管均处于饱和区 • 设所有晶体管的|Vdsat|相等 • 输出下限：
返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 7
西电微电子：模拟集成电路设计
G模型
I1 G11V1 G12 I 2 V2 G21V1 G22 I 2
返回信号 检测信号
op amp Ch. 9 # 8
西电微电子：模拟集成电路设计
选择二端网络模型表述反馈网络
反馈网络类型
电压-电压反馈 V1-V2 电流-电压反馈 I1-V2 电压-电流反馈 V1-I2 电流-电流反馈 I1-I2
描述
V2=X21V1+X22I2 V2=X21I1+X22I2
对应模型
G模型 Z模型
I2=X21V1+X22V2
I2=X21I1+X22V2
Y模型
H模型
op amp Ch. 9 # 9
西电微电子：模拟集成电路设计
电压-电压反馈中的负载
（a）G模型 （b）简化的G模型（忽略反馈网 络的反向增益）
Ve (Vin G21Vout ) Vout
G21
G11 : 导纳量纲，反馈网络输 入端看进去的导纳 G22 :电阻量纲，反馈网络输 出端看进去的电阻 G21 : 无量纲
op amp Ch. 9 # 13
西电微电子：模拟集成电路设计
运算放大器 • 定义：高增益的差分放大器 • 用途：实现一个反馈系统 • 开环增益：由闭环电路的精度决定
Z in Z in G22
1 G11 A0Ve 1 Z out G11 1 Z in G11 A0 1 Z in G22 Z out G11 1 Z in G11 1 A0 G21 1 Z in G22 Z out G11
Vout Vin
op amp Ch. 9 # 10
Vout,min=Vb-VGS4+Vdsat4 =Vb-Vth4
• 输出上限：
Vout,max=VDD-|VGS7|-|VGS5|+|VGS6|-|Vdsat6| =VDD-|Vth7|-2Vdsat
• 输出摆幅
Vout,max-Vout,min= VDD-|Vth7|-Vb+|Vth4|-2Vdsat
A0 a (1 e )u (t ) 1 A0 t
1%稳定精度：t1% ln 100 4.6 0.1%稳定精度：t0.1% ln 1000 6.9
稳定精度1％ 稳定时间小于5ns 1/=1+R1/R2=10 则1.09ns fu1/20 1/(2) 1.46 GHz
单位增益放大器的闭环输出阻抗
开环输出阻抗： ro 2 || ro 4 闭环输出阻抗为： Rout ,cl
环路增益：g m1 ro 2 || ro 4 ro 2 || ro 4 1 1 g m1 ro 2 || ro 4 g m1
op amp Ch. 9 # 25
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 3
西电微电子：模拟集成电路设计
二端口线性时不变系统的四种模型
a. b. c. d.
Z模型 Y模型 H模型 G模型
op amp Ch. 9 # 4
Hale Waihona Puke Baidu
西电微电子：模拟集成电路设计
Z模型
V1 Z11 I1 Z12 I 2 V2 Z 21 I1 Z 22 I 2
0
vthn | vthp | 0.7V
op amp Ch. 9 # 34
西电微电子：模拟集成电路设计
全差分共源共栅运放的设计(2)
设计经验 放大管过驱动电压： 200mV 负载管过驱动电压： 200 ~ 500mV 尾电流管过驱动电压： 300 ~ 500mV 过驱动电压分配 Vdsat1 ~ Vdsat4 : 200mV Vdsat5 ~ Vdsat8 : 300mV Vdsat9 : 300mV 功耗分配 I 9 3mA I REF1 I REF2 330uA
• Vb越小，输出摆幅越大 • 输出摆幅的最大值为
VDD-|Vth7|-5Vdsat
op amp Ch. 9 # 29
西电微电子：模拟集成电路设计
双端输出共源共栅运放的输出范围
• 保证所有晶体管均处于饱和区 • 设所有晶体管的|Vdsat|相等 • 输出下限： • 输出上限：
• 输出摆幅
Vout,min=Vb1-VGS4+Vdsat4 =Vb1-Vth4 Vout,max=Vb2+|VGS6|-|Vdsat6| =Vb2+Vthn 2(Vout,max-Vout,min)= 2(Vb2+Vdsat-Vb1+Vth4)
op amp Ch. 9 # 27
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运放的输入共模电平范围
• 保证所有晶体管均处于饱和区 • 输入下限：
Vin,min=VCSS+VGS1 =Vdsat+Vth1+Vdsat1
• 输入上限：
Vin,max=Vb-|VGS4|+Vth1
• 设所有晶体管的Vdsat相等，则
西电微电子：模拟集成电路设计
第九章 运算放大器
董刚 Email: gdong@mail.xidian.edu.cn 2013年6月
op amp Ch. 9 # 1
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 2
西电微电子：模拟集成电路设计
回顾
• 反馈系统中负载的影响
– – – – – 二端口网络模型 电压-电压反馈中的负载 电流-电压反馈中的负载 电压-电流反馈中的负载 电流-电流反馈中的负载
若闭环增益为 10，要求增益误差小于 1 ％，则A1 1000
西电微电子：模拟集成电路设计
如何实现精确的增益 • 开环：不能实现
– 工艺偏差
• 闭环：
– 前馈放大器：开环增益A1足够高 – 反馈放大器：精确匹配
1 A1 其中为增益误差
op amp Ch. 9 # 18
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 20
西电微电子：模拟集成电路设计
本讲内容 • 概述 • 单级运算放大器
– – – – 五管差分运放 共源共栅运放 全差分折叠共源共栅运放 单端输出折叠共源共栅运放
• 两级运算放大器 • 运算放大器设计要点
op amp Ch. 9 # 21
西电微电子：模拟集成电路设计
本讲内容 • 概述 • 单级运算放大器
– – – – 五管差分运放 共源共栅运放 全差分折叠共源共栅运放 单端输出折叠共源共栅运放
• 两级运算放大器 • 运算放大器设计要点
op amp Ch. 9 # 26
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运算放大器
Av0 gm2 gm4 ro 4ro 2 || gm6ro6 ro8
Av ,open
I1 G11 |I 2 0 V1 G22 V2 |V1 0 I2
op amp Ch. 9 # 11
西电微电子：模拟集成电路设计
计算开环增益与闭环增益
Av ,open G21
VY RD1 g m 2 RD 2 || ( RF RS ) Vin RF || RS 1 / g m1 RS RS RF Av ,open 1 G21 Av ,open
西电微电子：模拟集成电路设计
等效开环增益的计算
Vout Vin
1 Z in G11 A0 1 Z in G22 Z out G11 1 Z in G11 1 A0 G21 1 Z in G22 Z out G11 1 Z in G11 A0 1 Z in G22 Z out G11
• Vb2越大，输出摆幅越大 • Vb1越小，输出摆幅越大 • 输出摆幅的最大值为
2(VDD-5Vdsat)
op amp Ch. 9 # 30
西电微电子：模拟集成电路设计
共源共栅运放的优缺点
• 优点：
– 高增益
• 缺点：
– 输入摆幅、输出摆幅小 – 不宜用做单位增益缓冲器
输出最大值： Vb VGS 4 Vth2 输出最小值： Vb Vth4 输出摆幅：Vth2 Vth4 VGS 4
小信号带宽
• 小信号带宽通常定义为单位增益频率fu • 3dB频率f3dB与fu的示意如下（均为对数坐标）
op amp Ch. 9 # 19
西电微电子：模拟集成电路设计
小信号带宽与信号建立时间的关系
设前馈放大器为单极点 系统 A0 A( s ) 1 s
0
闭环带宽扩展为 (1 A0 )倍 1 1 时间常数 (1 A0 )0 A00 Vin au(t ) Vout
单级运算放大器
低频小信号增益 : Av0 gm1 (ro2 || ro4 ) gm1ro2,4
op amp Ch. 9 # 22
西电微电子：模拟集成电路设计
单级运放的单位增益接法
op amp Ch. 9 # 23
西电微电子：模拟集成电路设计
单级运放的输入共模电平范围
• 保证所有晶体管均处于 饱和区 • 输入下限：
运算放大器设计是一个不断tradeoff的过程
op amp Ch. 9 # 14
西电微电子：模拟集成电路设计
本讲内容 • 概述
– 性能参数
• 单级运算放大器 • 两级运算放大器 • 运算放大器设计要点
op amp Ch. 9 # 15
西电微电子：模拟集成电路设计
运算放大器的性能参数
增益 小信号带宽 大信号带宽 输出摆幅 线性度 噪声与失调 电源抑止
op amp Ch. 9 # 33
西电微电子：模拟集成电路设计
全差分共源共栅运放的设计(1)
性能指标 VDD 3V 输出摆幅 3V 功耗 10m W A v 0 2000 工艺参数 μnCox 60 A/V 2 μ p Cox 30 A/V 2 λn 0.1 V -1 (L 0.5m) λ p 0.2 V -1 (L 0.5m)
op amp Ch. 9 # 16
西电微电子：模拟集成电路设计
增益
• 高开环增益：
– 抑止非线性
R2 R2 R1 理想运放时系统的闭环 增益为 1
1 1 1－ 1＋ 1 A1 A1 1
op amp Ch. 9 # 17
1 实际运放A1，系统的闭环增益为
Vin,min=VCSS+VGS1 =Vdsat+Vth1+Vdsat1
• 输入上限：
Vin,max=VDD-|VGS3|+Vth1
• 设所有晶体管的Vdsat相等，则
Vin,max-Vin,min=VDD-|Vth3|-3|Vdsat|
op amp Ch. 9 # 24
西电微电子：模拟集成电路设计
op amp Ch. 9 # 12
Av ,closed
西电微电子：模拟集成电路设计
小结：电压-电压反馈中的负载
I1 G11V1 G12 I 2 V2 G21V1 G22 I 2 G11 G22 I1 |I 2 0 的输出端开路 V1 V2 |V1 0 的输入端短路 I2 V2 |I 2 0 的输出端开路 V1