模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第九章运算放大器..

• 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)
（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 )

Z in Z in + G22
Vout
G111 = A0Ve Z out + G111 Z in G111 A0 Z in + G22 Z out + G111 = Z in G111 1 + A0 1 G21 Z in + G22 Z out + G11
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 # 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：
Vin,min=VCSS+VGS1 =Vdsat+Vth1+Vdsat1
• 输入上限：
稳定精度1％ 稳定时间小于5ns 1/β=1+R1/R2=10 则τ≈1.09ns
A0

t
0.1%稳定精度：t0.1% = ln1000 6.9
fu0 GHz
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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
op amp Ch. 9 # 35
西电微电子：模拟集成电路设计
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 IREF1 + IREF2 = 330uA
Vin,max=VDD-|VGS3|+Vth1
• 设所有晶体管的Vdsat相等，则
Vin,max-Vin,min=VDD-|Vth3|-3|Vdsat|
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西电微电子：模拟集成电路设计
单位增益放大器的闭环输出阻抗
开环输出阻抗：ro 2 || ro 4 环路增益：g m1 ro 2 || ro 4 闭环输出阻抗为： Rout ,cl ro 2 || ro 4 1 = 1 + g m1 ro 2 || ro 4 g m1
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
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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
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
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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 描述 对应模型 G模型 Z模型 Y模型
• 输入上限：
Vin,max=Vb-|VGS4|+Vth1
• 设所有晶体管的Vdsat相等，则
Vin,max-Vin,min=Vb-|Vth4|-3Vdsat
• Vb≥ |Vth4|+3Vdsat • Vb越大，输入共模电平摆幅越大
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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
Vout ,min = Vb1 Vth 4 Vout ,max = Vb 2 + | Vth 6 | Av 0 = g m1 Rout Rout = g m 6 ro 6 ro8 || g m 4 ro 4 ro 2
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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)
111
Zin G Zin + G22 Z out + G111
111
2 =0
V2 G22 = |V =0 I2
1
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
= G21 =
V2 |I 2 =0 β的输出端开路 V1
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
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
1 理想运放时系统的闭环增益为 1 1 1 1 1 － 实际运放A1，系统的闭环增益为 × × A1 1＋ 1 A1 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
第九章 运算放大器
董刚 Email: gdong@mail.xidian.edu.cn 2007年9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
op amp Ch. 9 # 25
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
电压-电压反馈 V2=X21V1+X22I2 V1-V2 电流-电压反馈 V2=X21I1+X22I2
I1-V2 电压-电流反馈 I2=X21V1+X22V2 V1-I2 电流-电流反馈 I2=X21I1+X22V2 I1-I2
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
– – – –
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
单级运算放大器
低频小信号增益 : Av 0 = g m1 (ro 2 || ro 4 ) = g m1ro 2, 4
性能指标
VDD = 3V
输出摆幅 = 3V
功耗 = 10mW
Av 0 = 2000 工艺参数
μn Cox = 60 A/V 2 μ p Cox = 30 A/V 2 λn = 0.1 V -1 (L = 0.5m) λp = 0.2 V -1 (L = 0.5m)
=0
vthn =| vthp |= 0.7V
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 A(s) = A0 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 = a (1 e )u(t ) 1 + A0 1%稳定精度：t1% = ln100 4.6
• 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：
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
输出最小值：Vb Vth 4 输出摆幅：Vth 2 + Vth 4 VGS 4
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）
Av 0 = g m 2 g m 4 ro 4 ro 2 || g m 6 ro 6 ro8
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
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
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
• 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 + Vth 2
op amp Ch. 9 # 17
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β
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
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）
RS RS + RF
Av ,open Av ,closed = 1 + G21 Av ,open
op amp Ch. 9 # 12
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 I1 |I 2 =0 的输出端开路 V1 V2 |V1 =0 的输入端短路 G22 = I2 G11 =
op amp Ch. 9 # 10

Vout Vin
西电微电子：模拟集成电路设计
等效开环增益的计算
Zin G Z in + G 22 Z out + G 111 Vout = Zin G111 Vin 1 + A0 1 G21 Zin + G22 Z out + G11
A0 Av ,open = A0 I1 G11 = |I V1