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解读
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 DDV SSM1M2M3M4M5M6M7M8VnC LC cvoutvin1vin2irefxy3I 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。
一种高增益CMOS全差分运算放大器的设计
邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注一种高增益CMOS 全差分运算放大器的设计Design of a High-gain CMOS Fully Differential Operational Amplifier(江南大学)李杨先顾晓峰浦寿杰LI Yang-xian GU Xiao-feng PU Shou-jie摘要:设计了一种用在高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中的高增益CMOS 全差分运算放大器。
该运算放大器采用了套筒式共源共栅结构和开关电容共模反馈电路。
通过分析和优化电路性能参数,实现了高增益和低功耗。
采用SMIC 0.35μm CMOS 工艺,经Spectre 仿真验证,电路在3.3V 电源电压和2.6pF 负载电容条件下,单位增益带宽为110MHz,开环直流电压增益达76dB,功耗为1.4mW 。
关键词:运算放大器;套筒式共源共栅;高增益;A/D 转换器中图分类号:TN402文献标识码:AAbstract:A high -gain CMOS fully differential operational amplifier has been designed for the application to high -resolution audio Σ-ΔA/D converters.The telescopic cascade structure and the switched capacitor common -mode feedback circuit were adopted in this operational amplifier.High gain and low power dissipation were achieved by analyzing and optimizing the circuit parameters.The Spectre simulation using SMIC 0.35μm CMOS process shows that,with 3.3V power voltage and 2.6pF capacitor load,the circuit has a unity-gain bandwidth of 110MHz,an open-loop gain of 76dB and a power dissipation of 1.4mW.Key words:Operational amplifier;Telescopic cascade;High-gain;A/D converter文章编号:1008-0570(2009)10-2-0207-031引言运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元,广泛应用于数/模与模/数转换器、有源滤波器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。
全差分套筒式运算放大器设计
全差分套筒式运算放大器设计1、设计内容本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜像电流源作为偏置。
为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈及二级放大电路。
本设计所用到的器件均采用SMIC 0.18µm的工艺库。
2、设计要求及工艺参数本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示：3、放大器设计3.1 全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路图1 全差分套筒式放大器拓扑结构图2 最终电路图3.2 设计过程在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完全一样，即两管子所有参数均相同。
Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3 + gmb3）ro2倍。
但同时降低了输出电压摆幅。
为了提高摆幅，控制增益，在套筒式差分放大器输出端增加二级放大。
本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。
设计要求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。
我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。
根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。
I D=12μn C ox WL(V GS−V TH)2(1+λV DS)(1)其中，C ox等于ε/t ox，μn和t ox可以从工艺库中查找。
4、仿真结果经过调试优化之后的仿真结果如以下各图所示：图3 增益及相位裕度从图中可以看出，本设计的低频增益达到了74.25dB，达到了预期要求。
3dB 带宽为35kHz左右，比较小，可见设计还有改进的余地。
当CL为2pF时，相位裕度：PM=180°+∠βH(ω)=180°−125.5°=54.5°电源电压为1.8V时，输出摆幅如下图所示，达到了3V。
模拟集成电路设计——两级全差分高增益放大器设计
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；要求各Corner 下开环技术指标（含Cload=10fF）:①放大器开环DC 增益Av0≥90dB；②0dB 带宽BW0≥500MHz；③相位裕度Phase Margin≥50°。
④DC 抑制比PSRR-0≥60dB, （3*2=6 分）⑤10MHz 时抑制比PSRR-10M≥45dB。
开关电容共模反馈的全差分折叠共源共栅运放
开关电容共模反馈的全差分折叠共源共栅运放下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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全差分运放中共模反馈电路的一种新接法
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微电子学与计算机
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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。
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。
2. 常见的全差分运算放大器电路(a)是普通的全差分放大器电路，通常作为一个放大器的输入级部分。
图7-3(b)是折叠式全差分运算放大器电路，它的增益会比较大，可以达到60~70dB，但同时会消耗比较大的功耗，因为它有四条支路需要（电流）。
套筒式共源共栅放大器ac仿真
套筒式共源共栅放大器ac仿真套筒式共源共栅放大器是一种常见的放大电路，主要用于放大交流信号。
在这种电路中，共源极和共栅极通过一个套筒式电容连接在一起，构成了一个反馈回路。
这种电路具有增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等优点，被广泛应用于射频放大器、通信系统等领域。
在进行套筒式共源共栅放大器的AC仿真时，我们首先需要确定电路的参数和工作条件。
例如，我们需要确定管子的工作点和电源电压，以及输入信号的频率和幅值等。
通过改变这些参数，我们可以得到不同工作状态下的电路性能。
接下来，我们可以使用电路仿真软件进行AC仿真。
在仿真过程中，我们可以观察电路的频率响应、增益、输入输出阻抗等参数的变化。
通过调整电路的参数，我们可以优化电路的性能，使其更加符合我们的设计要求。
在AC仿真中，我们可以通过改变输入信号的频率来观察电路的频率响应。
频率响应是指在不同频率下，电路对输入信号的增益变化情况。
通常情况下，套筒式共源共栅放大器具有较宽的频带，可以放大较宽范围的频率信号。
我们还可以观察电路的增益和输入输出阻抗。
增益是指电路输出信号与输入信号之间的比值，衡量了电路放大能力的大小。
输入输出阻抗则反映了电路对外部信号源和负载的适应能力。
套筒式共源共栅放大器通常具有较高的增益和输入阻抗，可以有效地放大和传输输入信号。
在进行AC仿真时，我们还需要注意电路的稳定性和可靠性。
例如，我们可以通过观察电路的输出波形、电流和功率等参数来判断电路是否存在失真、过载或过热等问题。
如果出现这些问题，我们可以通过调整电路的参数或改变电源电压等方式来解决。
套筒式共源共栅放大器的AC仿真是一项重要的工作，可以帮助我们了解电路的性能和特点，优化电路设计，并提高电路的稳定性和可靠性。
通过合理的参数选择和调整，我们可以得到满足设计要求的放大器电路，并应用于各种通信和射频系统中。
全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路
In general speaking, only the level of operational amplifiers, such as sleeve operational amplifiers, frequency response is fast, low gain;Two stage operational amplifier gain high, unit gain bandwidth.After considering the above factors, to design a fully-differential sharing sleeve source gate amplifier and the structure of common mode feedback circuit.In guarantee gain excellent cases, the frequency response of the op-amp single pole characteristics in order to optimize unit gain bandwidth.
套筒共源共栅运算放大器的mos管参数计算
套筒共源共栅运算放大器的mos管参数计算套筒共源共栅运算放大器是一种常用的MOS管参数计算方法。
它通过调整栅极电压和源极电压来改变MOS管的工作状态，从而实现放大器的放大功能。
在本文中，将介绍套筒共源共栅运算放大器的原理和参数计算方法，并分析其在电路设计中的应用。
我们来了解一下套筒共源共栅运算放大器的原理。
套筒共源共栅运算放大器由一个N沟道MOS管和一个P沟道MOS管组成。
N沟道MOS管的栅极和源极相连，P沟道MOS管的栅极和源极也相连，两个管子的漏极相连，形成一个共源共栅的结构。
在工作时，通过调整栅极电压和源极电压，可以使MOS管处于不同的工作状态，从而实现放大器的功能。
接下来，我们将介绍如何计算套筒共源共栅运算放大器的MOS管参数。
首先，需要确定放大器的工作状态。
常用的工作状态有三种：截止区、线性区和饱和区。
在截止区，MOS管的栅极电压低于阈值电压，导通电流接近于零；在线性区，MOS管的栅极电压高于阈值电压，导通电流与栅极电压成线性关系；在饱和区，MOS管的栅极电压高于阈值电压，导通电流接近饱和值。
根据放大器的需求，选择合适的工作状态。
确定工作状态后，需要计算MOS管的参数。
其中，重要的参数有：跨导、输出电阻和增益。
跨导是指输入电压变化与输出电流变化的比值，反映了放大器对输入信号的放大能力；输出电阻是指输出电压变化与输出电流变化的比值，反映了放大器对负载的驱动能力；增益是指输出信号幅度与输入信号幅度的比值，反映了放大器的放大倍数。
为了计算这些参数，需要使用MOS管的模型和相关的公式。
常用的MOS管模型有：简单MOS模型、小信号MOS模型和大信号MOS 模型。
根据实际情况选择合适的模型，并根据公式计算参数。
我们来分析一下套筒共源共栅运算放大器在电路设计中的应用。
套筒共源共栅运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、增益稳定等优点，适用于电压放大、电流放大、功率放大等场合。
在实际应用中，可以根据需要调整栅极电压和源极电压，以达到最佳的放大效果。
全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路的研究
全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路的研究全差分套筒式共源共栅放大器是一种常用的放大器电路，可以用于增强信号的幅度和增加输出功率。
它具有高增益、低噪声和较大的输出功率等优点，被广泛应用于通信器材、音频放大器和高速数据传输等领域。
本文将详细介绍全差分套筒式共源共栅放大器的原理、特点以及常见的共模反馈电路。
全差分套筒式共源共栅放大器的原理是在输入端同时接入两个信号，一个信号经过源极耦合电容输入到栅极，另一个信号则经过栅极调制放大输出。
这种设计使得差模信号增益大，共模信号增益小，从而提高了放大器的性能。
同时，采用套筒式结构可以提供较大的输出功率，使得放大器在输出端有更大的动态范围。
全差分套筒式共源共栅放大器的特点有以下几个方面。
首先，由于共源共栅结构的存在，放大器具有较高的输入阻抗和输出阻抗，可以有效地减少信号传输的损耗。
其次，通过差模信号和共模信号的分离处理，放大器具有较低的噪声和失真。
此外，套筒式结构能够提供较大的输出功率，适合于高功率放大应用。
为了进一步提高放大器的性能，常常采用共模反馈电路。
共模反馈电路可以抑制共模干扰，提高放大器的共模抑制比，减少信号传输中的干扰和噪声。
一种常见的共模反馈电路是通过电阻和电容网络将共模信号的反馈接入到放大器的源极，通过控制源极电流的差异，来实现共模信号的抑制。
这种反馈电路能够有效地提高放大器的共模抑制比，提供更清晰的信号输出。
总之，全差分套筒式共源共栅放大器是一种具有高增益、低噪声和较大输出功率的放大器电路。
通过合理设计和优化，可以实现更好的性能和应用效果。
而共模反馈电路则进一步提高了放大器的性能，减少了信号传输中的干扰和噪声。
通过研究全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路，可以更好地应用于实际的工程设计和应用中。
套筒式共源共栅结构
套筒式共源共栅结构
套筒式共源共栅结构（简称套筒结构）是一种常见的电子器件设计结构，在集成电路设计中广泛应用。
这种结构一般用于设计和实现高性能模拟集成电路和射频集成电路。
套筒结构采用了共源共栅的电路配置，其中真实名字和引用被省略。
该结构的基本原理是通过共源极的放大作用来增强输入信号，并通过共栅极来控制输出信号。
具体而言，输入信号被施加到共源极，经过放大后，输出信号通过共栅极传递到下一级电路。
套筒结构的优点主要有三个方面。
通过共源共栅的结构，可以实现较高的增益和较低的噪声系数，从而提高系统性能。
该结构具有良好的电压共模抑制能力，可以有效地抑制共模干扰信号的影响。
套筒结构有较高的线性度和较宽的带宽，适用于高频和宽带应用。
在实际设计中，套筒结构需要考虑一些关键因素。
需要根据具体应用要求选择合适的晶体管类型和尺寸。
需要合理布局和布线，以减少电路阻抗不匹配和串扰。
还需要进行模拟和数字以及电源隔离，以避免干扰和噪声的产生。
适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
图 1 两级全差分运算放大器 F ig . 1 T wo- stage fully differ ential operat ional amplifier
为了确保运放具有良好的稳定性, 采用极点- 零 点抵消的密勒电容补偿技术[ 6] , 并且分别针对运放
输入级、输出级设计了连续时间共模反馈电路和开
关电容共模反馈电路来稳定各级共模电平。
2. 1 连续时间共模反馈 由于运放的输入级对摆幅要求不高, 而开关电
容共模反馈回路会降低运放内部主极点的位置, 导
第 41 卷第 2 期 2011 年 4 月
微电 子学 Micr oel ect r onics
V ol. 41, No . 2 A pr. 2011
适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
尹 浩1 , 陈必江1 , 李 靖1 , 杜 翎1 , 汤川洋1 , 于 奇1 , 宁 宁1 , 邓春健2
( 1. 电子科技大学 电子薄膜与集成器 件国家重点实验室, 成都 610054; 2. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)
略有偏差, 但并不影响电路的正常工作。 2. 2 开关电容共模反馈
连续型共模反馈的缺点在于限制了电路的输出
摆幅。为了使运放有尽可能宽的输出摆幅, 输出级 采用开关电容共模反馈电路[ 8] , 如图 3 所示。图 3 中, V out+ 和 V out- 分别为运放输出电平, V cmf b2 为输出
时单位增益带宽为 1. 163 GH z。
全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路解读
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 DDV SSM1M2M3M4M5M6M7M8VnC LC cvoutvin1vin2irefxy3I 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。
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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
我们可以得到6644
(/)(/)64/1m m g
W L W L g ==
进而由6662(/)m P
d g K W L I '=我们可以得到直流电流 22
m6m6
67''
6666
g g 113.72(/)2d d I I A K W L K S μ==== 同样由电流镜原理，我们可以得到
7755
(/)(/)32/1d d I
W L W L I ==
3、仿真和测量 （1）DC 分析
图2 VOUT 、M5管电流、M7管电流、Vx 与Vy 与输入共模电压变化的关系
图4 测量共模输入范围的电路图
图5 运放的输入共模电压范围
从图中可以得到输入共模范围满足设计指标(-1V~2V)
（3）测量输出电压范围
在单位增益结构中，传输曲线的线性收到ICMR 限制。
若采用高增益结构，传输曲线
的线性部分与放大器输出电压摆幅一致，图6为反相增益为10的结构，通过R L 的电流会对输出电压摆幅产生很大的影响，要注意对其的选取，这里我们选取R L =50K Ω，R=60K Ω.图8为输出电压范围
V IN
V DD
V SS
C L
V OUT 10R
R
RL
图6 测量输出电压范围的原理图
图7 测量输出电压范围的电路图
图8 输出电压的范围
可以看出输出电压摆率大概在-2V~2V之间，基本满足要求
（4）测量增益与相位裕度
相位裕度是电路设计中的一个非常重要的指标，用于衡量负反馈系统的稳定性，并能用来预测闭环系统阶跃响应的过冲，定义为：运放增益的相位在增益交点频率时（增益幅值等1的频率点为增益交点），与-180°相位的差值。
图9 测量增益与相位裕度的原理图
（a）
（b）
图10 运放的交流小信号分析
从图中看出，相位裕度63°，增益66dB，增益指标未达到，单位增益带宽仅有4GB左右
二、共模反馈结构
由于在高增益放大器中,输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感,而且不能通过差动反馈来达到稳定。
因此,必须增加共模反馈网络来检测两个输出端的共模电平,并有根据的调节放大器的一个偏差电流。
一般的共模反馈结构如图11所示,将共模反馈的任务分为3步: 1)检测输出Vout1 和Vout2的共模电平; 2) 同一个参考电压Vref比较; 3) 将误差送回放大器偏置网络。
输共模电平为Vout, CM = (Vout1 + Vout2 ) /2. 其中Vout1 , Vout2 是两个单端输出端的电压。
如果应用电阻分压器结构(见图12) ,则要求分压电阻R1 , R2必须比运算放大器的输出阻抗大得多, 但是套筒式运算放大器具有高输出阻抗的特点, 所以如果应用图11的共模电平检测结构需要R1 和R2 相当大,并且还要求R1 = R2 ,这在实际实现上有很大的困难。
根据本电路特点本文提出另一种检测共模电平的结构,图13说明了这种结构的原理。
图11共模负反馈原理图
图12电阻检测的共模反馈
图15 检测第1级输出共模电平原理图
共模反馈电路并未使用传统的电阻或电容来读取共模电平而是应用两个单位增益缓冲器,这里应用了运算放大器的单位增益缓冲器的高输入电阻的特点,从而避免使用大电阻. 因为大电阻既不易制作,又会影响输出摆幅. 单位增益缓冲器的增益越高,越理想,电压跟随性能越好. 目前确定共模电平的方法主要是使用两个电容来来代替大电阻,然而电容又有其占用面积大和工艺上制作精度仅能达到±20%的缺点. 采用这种结构既能避免采用电容或电阻提取共模电平占用较大面积的缺点又可以达到同样的提取共模电平的作用。
参考电压的比较电路应用双端输入单端输出的比较器的结构,将M2,M3作为二极管
连接器件,以达到低增益的特点. 比较器的放大倍数通过对电路的小信号分析得到,其gm1 , r01 为M1的跨导和输出电阻; gm2 , ro2 为M2的跨导和输出电阻。
共模反馈部分的完整电路图由图16给出,它是以上两部分的综合结构. 应用此结构不仅可以保证运算放大器第1级有稳定的共模电平,而且它同时也是第2级放大电路的前馈电路网络,起到稳定后一级输入共模电平的作用. 通过对电路参数的调节可以使第1级的输出共模电平维持在2.5 V左右。
图16检测输出共模电平完整的电路图
6、修改电路后的AC分析
在共模输入电压分别为-1V和+2V以及0V的条件下做交流小信号分析，得到低频小信号开环电压增益的幅频与相频特性曲线，如图17——图18
图17 dc=0V时的小信号仿真，增益为80.91 dB
图18 dc=2V时的小信号仿真，增益为73.12 dB
图19 dc= -1V时的小信号仿真，增益为73.21dB
表5 三种共模输入电压下的运放小信号分析
共模电压 0V 2V
-1V 低频增益 80.91 73.12 dB 73.21 dB GB 5.44 MHz 5.681 MHz
5.681 MHz 相位裕度
59.82°
58.44°
58.45°
7、电源电压抑制比测试
因为在实际使用中的电源也含有纹波，在运算放大器的输出中引入很大的噪声，为了有效抑制电源噪声对输出信号的影响，需要了解电源上的噪声是如何体现在运算放大器的输出端的。
把从运放输入到输出的差模增益除以差模输入为0时电源纹波到输出的增益定义为运算放大器的电源抑制比，式中的vdd=0，vin=0指电压源和输入电压的交流小信号为0，而不是指它们的直流电平。
需要注意的是，电路仿真时，认为MOS 管都是完全一致的，没有考虑制造时MOS 管的失配情况，因此仿真得到的PSRR 都要比实际测量时好，因此在设计时要留有余量。
0===
vin DD
vdd V A A PSRR
VDD
VSS
Vout
＋＋＋
＋＋＋
Vdd
Vss
-+
图20 电源抑制比的原理图
图21 正负PSRR 的测试结果
图23 测量摆率和建立时间的电路图
图24 摆率与建立时间
9、CMRR 的频率响应测量 差动放大器的一个重要特性就是其对共模扰动影响的抑制能力，实际上，运算放大器既不能是完全对称的，电流源的输出阻抗也不可能是无穷大的，因此共模输入的变化会引起电压的变化，OUT v ,CM IN v ,是指共模输出端和共模输入端的交流小信号，而不是它们的直流偏置电压。
绘制电路图时，无法体现由于制造产生的不对称性，因此采用保留余量的方法。
注意，同相反相端加入相同的小信号电压Vcm 。
CM v A A CMRR =
,CM
IN OUT CM v v
A ,= VDD
VSS
Vcm
Vcm
Vout
图25 测试CMRR 的原理图
图26 放大器的CMRR的频率响应曲线
从图中可以从得到电路的共模抑制比为81.5dB。
在100KHz以下CMRR是相当大的。
三导师意见
四专业责任教授意见。