跨导放大器的分析与设计1
跨导放大器的原理与应用
跨导放大器的原理与应用1. 跨导放大器的概述
• 1.1 跨导放大器的定义
• 1.2 跨导放大器的分类
• 1.3 跨导放大器的特点
2. 跨导放大器的原理
• 2.1 跨导放大器的基本结构
• 2.2 跨导放大器的工作原理
• 2.3 跨导放大器的放大机制
3. 跨导放大器的应用
• 3.1 电子通信领域
– 3.1.1 无线电通信系统
– 3.1.2 手机和移动设备
– 3.1.3 通信基站
• 3.2 音频放大领域
– 3.2.1 音响系统
– 3.2.2 乐器放大器
• 3.3 传感器接口电路
– 3.3.1 温度传感器
– 3.3.2 压力传感器
– 3.3.3 光传感器
4. 跨导放大器的优缺点
• 4.1 优点
• 4.2 缺点
5. 跨导放大器的设计考虑因素
• 5.1 增益要求
• 5.2 带宽要求
• 5.3 稳定性要求
6. 跨导放大器的改进方法
• 6.1 功率增强技术
• 6.2 噪声降低技术
• 6.3 线性度改善技术
7. 结论
•本文介绍了跨导放大器的原理与应用，包括跨导放大器的概述、原理、应用场景以及优缺点等内容。
随着电子通信和音频放大技术的发展，跨导放大器在各个领域都有重要的应用。
不过，在设计跨导放大器时需要考虑到增益、带宽和稳定性等因素，同时也需要探索改进方法来提高功率、降低噪声和改善线性度。
跨导放大器作为一种重要的电子器件，将继续在各个领域发挥重要作用。
跨导运算放大器设计实例
李福乐 lifule@
1
Specifications
• CSMC 0.6um DPDM CMOS Process • GBW > 100MHz, PM > 60 when CL=2pF • DC Gain > 80dB • Output swing > 4V (differential) • Full differential architecture • Low Power (Large FOM)
所设计的OTA要应用于课程设计10bit cyclic ADC中。 在开关电容ADC中，ADC的速度取决于级电路的建立速度，而级电路的建立过程 可视为由大信号压摆区和小信号线性建立区构成，其中，小信号建立区的时间通 常要占到总建立时间的80%~90%，因此，OTA的大信号压摆率对ADC的速度影响 较小； 从另一个方面来说，压摆率只取决于偏置电Байду номын сангаас，当偏置电流和电容确定后，无论 输入管的VGS-VT是大是小，压摆率都不变。对于连续信号处理电路，我们希望 OTA在整个设计带宽内工作时，输出信号不会因为摆率跟不上而幅度受限，这个 时候需要SR/GBW大一些，即输入管的VGS-VT大一些；但是，对于采样信号处理 电路，比如我们所要设计的ADC，当我们确定好偏置电流，然后降低输入管的 VGS-VT，这个时候，SR不变，GBW变大，即SR/GBW变小了，而最终的建立时 间反而缩小了，ADC的速度加快了。 因此，SPEC中没有提出对SR的具体要求。 注意：不同应用对SR/GBW的不同要求！
3
MOST parameters
• u? Cox?
– Find out un, up, toxn and toxp from model library
一种含有带隙基准源的低功耗运算跨导放大器的分析与设计
第 1期
赵以诚, 等: 一种含 有带隙基准源的低功耗运算跨导放大器的分析与设计
7
VREF
=
VBE 2 +
0 引言
近年 来随 着半 导体 产业的迅猛发展, 由于 LED(发光二极管 )具有体积小、功耗低、寿命长等 特点, 它被应用于很多领域, 诸如 LED 电脑显示 屏幕, LED电视, 汽车电子, 这就需要一款芯片驱 动 LED工作. 基于 LED 显示屏驱动芯片, 它用于 控制 100个串联的 LED的开启与关断, 本文设计 了一种用于 LED驱动芯片实现调光功能、升压式 直流调节的核心电路 含有带隙基准源的低功耗 运算跨导放大器 ( Gm _OTA ).
图 3 改进的带隙基准电路
图 3是一个可以完成上述两个功能的实际改
进电路. 这里加入了一个运算放大器 A 1, 它以 VX 和 VY 为输入, 驱动 R 1和 R2( R 1 = R 2) 的上端, 使得 X 点和 Y点稳定在近似相等的电压. 基准电
压可以在放大器的输出端得到. 经过分析, VBE 1 -
图 1 含带隙基准跨导放大器的结构图
* 作者简介: 赵以诚 ( 1984 - ), 男, 辽宁沈阳人, 硕士研究生, 从事集成电路设计研究. 收稿日期: 2010- 11 - 30
6
辽宁大学学报
自然科学版
2011 年
器模块共同构成, 带隙基准模块为跨导放大器模 块提供偏置电流. 2. 1 带隙基准源
( 1. 辽宁大学 物理学院, 辽宁 沈阳 110036; 2. 北京美新华微电子技术有限公司, 北京 100044; 3. 中山大学 信息科学与技术学院, 广东广州 510006)
摘 要: 提出一种含有带隙基准源的 低功耗 CMOS运算跨导放大 器的设计方法, 在 Candence 的 schm atic 工 具下完成了电路的搭建与整理, 并分析了其基本结构. 在此基础上, 运用 H sp ice仿真工具建立了电路模型, 并 完成了系统仿真验证. 在 7. 75V 电源电压下, 基于 csm c 0. 5 m 工艺模型, 本 设计可驱动 75 pF 负载, 相位 裕 度为 135度, 单位增益带宽为 1. 19 MH z, 静态功耗为 3. 43 mW, 实现了低功耗运算跨导放大器的良好性能. 关键词: 带隙基准源; 相 位裕度; 增益带宽; 跨导放大器 中图分类号: TN32 文献标识码: A 文章编号: 1000 5846( 2011) 01 0005 06
(完整word版)跨导运算放大器的设计
跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。
通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。
1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V , 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54 μA ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 oC ，并且最优指数totalLI C GBW FOM ∙=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp，然C LB : 1 1 : B后自己调整；（2） 仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。
将分析结果与实际仿真结果进行比较； （3） 尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？ 最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。
二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。
跨倒放大器的用法
跨倒放大器的用法跨导放大器是一种广泛应用于电子领域的放大器，通过控制输入信号的斜率改变输出信号的幅度，因此在电子电路设计中有着重要的地位。
本文将从跨导放大器的原理、结构和用法等方面展开详细介绍，以期为读者提供全面的了解。
一、跨导放大器原理跨导放大器又称转导放大器，是一种利用场效应晶体管（FET）的放大器。
它的工作原理是利用输入信号对FET管子的栅极电压产生影响，使其输出电流发生相应变化，从而达到信号放大的目的。
在跨导放大器中，信号的放大是通过调节输人信号的斜率来实现的。
当输入信号的斜率改变时，输出信号的幅度也随之改变。
二、跨导放大器结构跨导放大器主要由三部分组成：输入级、中间级和输出级。
输入级通常由场效应管子构成，其作用是将输入信号转换成电流信号并传送到中间级；中间级则负责增加电流信号的幅度，并将其传送到输出级；输出级将中间级传来的电流信号重新转换成电压信号，并输出到负载中。
通过这三个级之间的协调配合，跨导放大器能够实现对输入信号的放大。
三、跨导放大器的用途1. 通信系统中的应用跨导放大器广泛应用于各种通信系统中，例如手机、卫星通信、无线通信等。
在这些系统中，需要对信号进行放大和处理，跨导放大器能够很好地满足这些需求。
2. 音频放大器中的应用在音频系统中，跨导放大器也有着广泛的应用。
通过调节输入信号的斜率，可以实现对音频信号的放大，从而为音响系统、功放等设备提供优质的音频信号。
3. 传感器放大器中的应用跨导放大器还常用于传感器放大器中，通过对传感器输出信号进行放大和处理，使得传感器能够更准确地感知环境信号，并将其转换成有效的电信号。
四、跨导放大器的优点1. 高灵敏度跨导放大器具有高灵敏度的特点，能够对输入信号的微小变化做出快速的响应，并将其放大。
2. 良好的线性度跨导放大器的输出信号与输入信号之间具有较好的线性关系，能够保持信号的原始特性，不会产生失真。
3. 宽频带特性跨导放大器具有宽频带特性，能够满足各种不同频率信号的放大需求。
(完整word版)跨导运算放大器的设计
跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。
通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。
1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V, 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54A ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 o C ，并且最优指数totalLI C GBW FOM •=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和C LB : 1 1 : Bota_test.sp ，然后自己调整；（2） 仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。
将分析结果与实际仿真结果进行比较；（3） 尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。
二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。
跨导放大器设计实例
模拟集成电路实验——跨导放大器设计实验报告学院：电信学院班级：微电子23班姓名：游晓东学号：2120503069一、设计指标二、电路结构确定电路结构的原因： ① 根据设计指标② 电路结构对称，匹配度高，,Offset CMRR 性能指标好③ 电路稳定性好，只有一个主极点④ 该电路为差分输入，单端输出，共模抑制比大，输出共模点较稳定三、电路原理概述该电路主要由三部分组成：带隙基准电流源、偏置电路、跨导放大器9~21M M 构成一个跨导放大器，其中13M 为尾电流源，向输入的差动对管提供电流偏置。
11,12M M 为输入差分对管，将小信号电压转换成小信号电流。
9,14M M 和10,17M M 为两个对称的电流镜，比例复制小信号电流。
14,15M M 与16,17M M 为共源共栅结构，可以提高输出阻抗和开环增益。
18,19,20,21M M M M 为低压共源共栅电流镜，可以作为单端输出并且提高输出摆幅。
0~8M M 构成偏置电路部分，为跨导放大器提供偏置电流。
22~34,0~2,0~2M M Q Q R R 构成带隙基准电流源部分，为电路提供基准电流源。
四、设计过程1. 分配电流根据静态电流250A μ限制，分配带隙基准电流源部分20A μ，偏置电路部分10A μ（其中每一路2A μ），跨导放大器部分210A μ。
分配14,17M M 的偏置电流14M I 时主要考虑三个指标：,,GBW SR GMGM 要求900~1100/A V μ，因此GM 取1000/A V μ。
由于11GM B gm =⋅，B为14,9M M 的偏置电流之比，因此111000/B gm A V μ⋅= （1）GBW 要求大于3MHZ 。
112LB gm GBWC π⋅=⋅，因此11566/B gm A V μ⋅> （2）SR 要求大于3/V S μ。
92M LB I SRC ⋅=，因此9290M B I A μ⋅> （3）由于9112M ODI gm V =，若OD V 取0.2V ，则由（1）得9100M B I A μ⋅=，由（2）得956.6M B I A μ⋅>，由（3）得945M B I A μ⋅>。
一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器的设计的开题报告
一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器的设
计的开题报告
本文将介绍一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器（transconductance operational amplifier，简称OTA）的设计。
该设计旨在实现超低电压输入、广泛带宽、高增益和输出稳定性，以满足现代电路设计中对高性能运算放大器的需求。
本文将从以下几个方面介绍该设计的开发过程：
1. 需求分析：介绍现代电路设计对高性能OTA的需求和该设计的目标性能参数。
2. 电路原理：介绍基于 CMOS 双极性晶体管（BJT）的 OTA 电路原理，并详细阐述其输入级、差动放大器、输出级等组成部分。
3. 设计方法：介绍针对该OTA设计的CMOS工艺选择和电路仿真方法，并详细介绍根据需求分析、电路原理及相关参数计算所采用的设计方法。
4. 电路仿真：通过电路仿真软件进行电路仿真分析，验证该设计的性能参数。
5. 总结与展望：总结本文内容，展望该设计的应用前景及未来发展方向。
总之，该设计旨在满足现代电路设计对高性能OTA的需求，具有较高实际应用价值。
CMOS恒跨导运算放大器设计
（2）跨导运算放大器模型 ● OTA的符号如图所示,它有两个输入端,一个输出端,一个控制端。符号上的 “+”号表示同相输入端,“一”表示反相输入端, I O 是输出电流, I B 是偏置电流,即外 部控制电流。 I O G(V V ) GVid ● OTA的传输特性用下列方程式描述：
lim Rnn ( ) 0 此外，若时延足够大，则
所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数 R( ) Rss ( )
三、互相关检测
1、基本原理：
若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发 出一个与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信 号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行 互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能 力。
OTA的小信号理想模型
2 CMOS恒跨导运算放大器的设计
（1）设计指标
● 工作电压： 2.7V
● 直流开环增益：90dB
● 相角裕度： 70 ● 增益带宽积：1.4MHz ● 负载电容：25pF
（2）运算放大器原理框图
● 输入级采用互补差分对结构， 使共模输入电压范围达到轨到轨，
通过3倍电流镜控制尾电流使输
U s1 (t )
窄带滤波 放大 输入信号
U 1 (t )
×
U 2 (t ) 参考信号
U O (t )
锁定放大器原理
锁定放大器理论推导
设输入信号： X (t ) S (t ) N (t )
A sin(t ) N (t )
S (t ) 为有用信号，A为其幅值， 角频率为，初相角为 其中， N (t ) 为随机噪声，
由上式可以得到输出阻抗：Zout ( A 1) gmro1ro2 而单共源共栅电路的输出阻抗为： gmro1ro2 电路的小信号分析表明输出阻抗 Z out值增大。
具有较小跨导的跨导放大器结构的一个比较设计方法
具有较小跨导的跨导放大器结构的一个比较设计方法摘要：一个家用CMOS运算放大器（OTAS）已经被设计成具有非常小的跨导以保证晶体管在温和的反转中工作。
许多的OTA设计方案如传统的利用电流转换、浮栅和大容量驱动技术都已经被讨论过。
这些方案的一些性能特点如功耗、有源硅区、信号噪音比我们也进行了一些详细的比较。
我们已经在一个1.2μm的n阱COMS工艺和工作电源2.7V 的条件下爱制备出了这种跨导放大器。
并且芯片的测试结果与理论计算结果也有很好的吻合。
引言由于人类身体的相对缓慢的电活动在医疗电子设备、有源滤波器和低截止频率等领域是很必要的。
低频电路应用的另一个领域是斜坡生成模拟---数字转换器（ADC）测试和神经网络领域。
因此，我们致力于研究出一个能够在低频率下工作的开发集成解决方案的电路。
对于一个运算跨导放大器—电容（OTA-C）滤波器来实现这样一个低频率来说就意味着需要大型电容器和非常低的跨导。
因此，我们有两个完全独立的角度去处理这个问题。
一种是设计出具有非常低的跨导（一般没伏几微毫安）、高线性；另一种是在芯片上实现大电容（通常是几纳法）。
按照上述思路，我们来分析不同工艺取得低跨导，我们在功耗、有源硅区、信号噪声比（SNR）等性能特性方面针对不同的方法已经开展了比较研究。
特别强调了在温和反转区的MOS晶体管的操作设计以便在功率和面积要求上达到一个较好的折中可能。
OTA拓扑在温和的反转中我们设计四种不同的OTA拓扑结构，在相同的跨导值为10nA/v的所有MOSFET模型中我们用一个方程式来权衡相关的设计参数如功耗、有源硅区和SNR。
A参考的OTA设计A如图一所示，这个OTA主要由两个不同部分（M1和M2）和三个电流镜。
放大器的全部跨导Gm跟M1、M2相同（M3=M4=M5=M6,M7=M8）。
根据所需的跨导值，此基本拓扑电流的结构水平可以非常小（大约在微微安培每伏），这就会使得W/L的比值为0.001甚至更少。
高增益跨导性运算放大器设计
10212020059 赵琦
摘要 运算放大器作为模拟集成电路设计的基础，同时作为日后 DAC 校 准电路中的一部分，本次设计一个高增益全差分跨导型运算放大器。 电路采用两级结构，输入级采用折叠共源共栅，第二级采用电流源负 载单管放大器。通过电阻电容来调节零极点间的相对位置，进行频率 补偿，来保证系统有良好的频率特性。共模反馈电路保证电路工作点 稳定。采用 SMIC 0.13um 工艺。仿真结果显示，该全差分高增益跨导 型运算放大器共模输入范围为 0.6V，输出共模范围为 0.6V，在负载 300fF 时，GBW 为 750M，直流增益为 79dB。 一、 设计指标
GBW
gm
g m1、 2 2 Cc
2I Vgs Vth
其中补偿电容粗略估算，留有余量取 300fF。 Vgs Vth 取 0.2V。可以粗
略估算 I 为 120uA，本设计中取为 150uA。 通过简单 miller 补偿，主极点
P 1
C 为 miller 补偿电容， 次级点
表 1 设计指标
电源电压 输入共模 输出共模 直流增益 GBW 输出负载
1.2V 0.6V 0.6V 60dB 700M 300fF
二、 体系结构 考虑到在 1.2V 电源电压下，输入共模电压为 0.6V，因此本文选用 折叠共源共栅结构，差分输入对保证了电路有较好的共模抑制。第二
级采用了电流源负载的单管放大器。电阻 R2 和电容 C 用来调节零极 点的位置进行频率补偿，以保证系统的稳定性。基本原理是增加一个 左半平面 (LHP) 零点来抵消次级点对相位的影响， 同时会把主极点推 向原点。最左边部分是共模反馈电路。
50 0 -50
-100 0 10
跨导运算放大器的设计
跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。
通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。
1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V , 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54 μA ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 o C，并且最优指数totalLI C GBW FOM •=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp ，然C LB : 1 1 : B后自己调整；（2） 仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。
将分析结果与实际仿真结果进行比较； （3） 尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？ 最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。
二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。
跨导运算放大器
5.2 双极型集成 OTA
5.2.1 OTA 的基本概念
OTA 是跨导运算放大器的简称，它是一种通用标准部件。OTA 的符号如图 5.1 所示，它有 两个输入端，一个输出端，一个控制端。符号上的“+”号代表同相输入端， “-”号代表反相 输入端，io 是输出电流，IB 是偏置电流，即外部控制电流。 OTA 的传输特性可用下列方程式描述
186
式(5.10)是传输特性的精确表达式，显然 io 与 uid 之间具有非线性函数关系。在输入电压信 号很小，即 uid<<2UT 条件下，利用双曲正弦函数的特性（即当 x<<1 时，thx≈ x） ， 。则由式(5.10) 可得，io 与 uid 之间具有的近似线性关系为
io ic1 ic2 I B
i o G m ( u i u i ) G m u id
(Hale Waihona Puke .1)183式中 io 是输出电流；uid 是差模输入电压；Gm 是开环跨导增益。 通常由双极型集成工艺制作的 OTA 在小信号下，跨导增益 Gm 是偏置电流 IB 的线性函数， 其关系式为
G m hI B
h q 1 2 kT 2U T
VD6
-EE
图 5.4 基本型 OTA 电路
在图 5. 4 所示电路中，VT1、VT2 组成跨导输入级，它是共射差动式电路，输入电压信号， 输出电流信号，因此是跨导放大级。VT3 和 VD1 组成一个基本镜象电流镜，与结构框图 5.3 中 Mw 的作用相同，将外加偏置电流 IB 送到输入级作 VT1、VT2 的射极长尾电流。VT7、VT8、VT9 和 VD5 组成威尔逊电流镜， 起结构框图 5.3 中 Mz 的作用， VT8 与 VT9 的达林顿接法可提高电流 镜的输出电阻， 并联在 VT8 发射结上的二极管 VD4 用来加快电路的工作速度。 同理， VT4、 VT5、 VT6 与 VD2、VD3 组成威尔逊电流镜，起结构框图 5.3 中 Mx 的作用。VT10、VT11 和 VD6 组成第 三个威尔逊电流镜起框图中 My 的作用。输出端为 VT9 集电极与 VTl0 集电极的相交点。因此是 高阻抗输出端，输出电流为 VT9 集电极电流与 VT10 集电极电流之差。 如果上述电路中 4 个电流镜的电流传输比均等于 1 ，从而使得 ic9=ic2 ， ic10=icl ， io= ic9-ic10=ic2-ic1。因此，上述 OTA 电路的传输特性(即 io 与 uid 的函数关系)将由差动输入级的传输 特性来决定。
跨导运算放大器
183第5章 集成跨导运算放大器内容提要 跨导放大器(包括双极型OTA 和CMOS 跨导器)是一种通用性很强的标准器件，应用非常广泛，主要用途可以分为两方面。
一方面，在多种线性和非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理；另一方面，在电压模式信号系统和电流模式信号系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。
本章将介绍OTA 的基本概念，双极型集成OTA 的电路结构，及其OTA 在模拟信号处理中的基本应用原理。
CMOS 跨导器是近年来研究和发展的主流，本章将主要介绍几种CMOS 跨导放大电路。
5.1 引言跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，增益叫跨导，用G m 表示。
集成跨导放大器可分为两种，一种是跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier)，简称OTA ；另一种是跨导器(Transconductor)。
跨导运算放大器是一种通用型标准部件，有市售产品，而且都是双极型的。
跨导器不是通用集成部件，它主要用于集成系统中进行模拟信号的处理，跨导器几乎都是CMOS 型的。
双极型OTA 和CMOS 跨导器的功能在本质上是相同的，都是线性电压控制电流源。
但是，由于集成工艺和电路设计的不同，它们在性能上存在一些不同之处：双极型OTA 的跨导增益值较高，增益可调而且可调范围也大(3～4个数量级)；CMOS 跨导器的增益值较低，增益可调范围较小，或者不要求进行增益调节，但它的输入阻抗高、功耗低，容易与其他电路结合实现CMOS 集成系统。
由于跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，所以它既不是完全的电压模式电路，也不是完全的电流模式电路，而是一种电压／电流模式混合电路。
但是，由于跨导放大器内部只有电压一电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高，同时电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低。
跨导运算放大器原理与应用
ｒｅａｌｉｚｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ
ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ
ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
ａｂｏｕｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ．Ａｌｌ ｆｉｌｔｅｒ
ａｎｄ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ａｒｏ
ａｌｌ
ｐｒｏｖｅｄ
ｂｙ
ｔｈｅ
ＰＳｐｉｅｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．
１、保密口，在……年解密詹适用本授权书。
２、不保密翅。
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作者签名：
曾毳羡
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嚣巅：砷每参曩三鑫
导师签名：莨长五日期：弧心产６月罗日
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跨导运算放大器原理与应用
第一章绪论 引言
世界上第一块集成电路，是１９５８年美国德克萨斯仪器公司的基 尔比和仙童公司的诺伊斯同时制作出来的（中国的第一块集成电路是
ｍｏｄｅ
ａｎｄ
ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ＯＴＡ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｓｏｍｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ
ａｎａｌｏｇ
ｆｉｌｔｅｒ
ａｌｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
ｐａｐｅｒ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ
Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ａｂｂｒｅｖｉａｔｉｏｎ：ＯＴＡ），ｉｔ ｈａｓ ｖｅｒｙ ９００ｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｏｂｖｉｏｕｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ，ｔｈｅ ｈｕｇｅ
高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计
高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计1 引言运放是电子工程学科中最常用的基础电路元件之一。
其主要功能是接收输入信号，经过处理后输出一个信号，这可以是电压、电流、复合信号等不同形式的信号。
高增益恒跨导低失调轨至轨运放是一种广泛应用的运放类型，其优点包括高增益、宽带宽、低失调和能够处理大量信号等等。
本文将介绍高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的基本原理和设计方法。
2 关键设计参数高增益恒跨导低失调轨至轨运放的设计需要考虑一系列关键参数。
这些参数包括放大器的增益、带宽、失调、输入阻抗、输出阻抗等等。
下面将分别介绍这些关键参数。
2.1 增益放大器的增益通常是设计时需要优化的主要参数之一。
在高增益恒跨导低失调轨至轨运放的设计中，增益主要取决于差分对输入和不同的反馈电路。
因此，设计者需要选用适当的反馈结构和电容来达成所需的增益。
2.2 带宽高增益恒跨导低失调轨至轨运放的带宽通常被设计为大于几百Mhz，这是因为其应用涉及高速信号处理和光纤通信业等领域。
带宽取决于放大器的极点，因此，在设计时需要确保放大器的布局和电气特性能够支持所选的带宽，以避免输出失真和衰减。
2.3 失调失调是指差分输入信号被误差放大，产生输出偏移的情况。
失调可由差分对的非对称性引起，因此，设计时需要确保差分对的匹配性，以减小失调。
2.4 输入阻抗放大器的输入阻抗取决于前级电阻和差分对的电阻。
输入阻抗影响放大器的干扰抗性和电路的灵敏度。
设计时需要选择合适的前级电阻和差分对的电阻，以实现所需的输入阻抗。
2.5 输出阻抗放大器的输出阻抗通常很低，这是因为高输出阻抗可能会导致信号变形。
输出阻抗与两级输出级的负载电阻有关。
设计时需要选择合适的负载电阻和输出级的电路结构，以实现所需的输出阻抗。
3 设计方法高增益恒跨导低失调轨至轨运算放大器的设计方法包括：3.1 选择运放类型选择合适的高增益恒跨导低失调轨至轨运放类型取决于应用需求。
常用的类型包括单放大器、差动放大器和多级放大器等。
跨导运算放大器,跨导运算放大器是什么意思_1
跨导运算放大器,跨导运算放大器是什么意思跨导运算放大器,跨导运算放大器是什么意思跨导运算放大器的定义运算放大器可以置于传感器/信号源与模数转换器之间，将两者连接在一起，负责处理来自接收器信号路径的信号；也可置于数模转换器与模拟输出之间，将两者连接在一起，负责驱动发送器信号路径的信号无论是接收还是发送信号，运算放大器主要负责处理模拟信号，以便将模拟信号的重要信息传送至下一环节作进一步处理。
换言之，置于输入路径的运算放大器负责为模数转换器提供经过处理的输入信号，而置于输出路径的运算放大器则负责为发送器提供经过数模转换器处理的输出信号。
这个处理过程并不简单，因为系统采用的传感器、模数转换器、数模转换器及发送器都各不相同，为它们提供信号的信号源必须在电子特性方面能够满足它们的特殊要求，才可以充分发挥其性能。
什么是跨导放大器(Transconductance Amplifier)将电压转换为电流的放大器, 另外还有其它几个名称(请参考同义词列表)。
其中一个同义词是OTA，或称为运算跨导放大器，从运算放大器和跨导放大器派生而来。
该术语源于“传输电导”，以西门子(S)为单位，1西门子= 1安培/伏特，通常用符号gm表示。
真空管和FET的基础增益用跨导表示。
例如，PH测量仪表的PH电极所发出的信号需要经过高阻抗运算放大器的处理，才可传送至模数转换器，因为一般来说，PH电极的输出阻抗都很高。
输入阻抗不足的运算放大器便无法充分利用PH电极的电能，以至模数转换器也无法获得足够的PH电极电能。
系统处理模拟信号时如果不得其法，即使所采用的数字处理系统非常先进、强劲，系统的整体性能也会受到严重影响。
所谓“接收的是垃圾、输出的也是垃圾（Garbage in, garbage out）”，便是这个意思。
跨导运算放大器工作原理
跨导运算放大器工作原理
跨导运算放大器（Transconductance Amplifier）是一种特殊的放大器，它的工作原理基于跨导（transconductance）的概念。
跨导是指输入电压变化引起的输出电流变化的比率，通常用单位西门子（Siemens）来表示。
跨导运算放大器通常用于模拟电路中，具有高增益、宽带宽和低失真的特点，因此在许多应用中得到了广泛的应用。
跨导运算放大器的工作原理可以简单地描述为，输入电压变化引起输出电流的变化。
它通常由一个差分输入级、一个跨导放大器和一个输出级组成。
首先，差分输入级接收输入信号，并将其转换成差分电压。
这个差分电压经过跨导放大器，根据输入电压的变化，控制输出电流的变化。
最后，输出级将输出电流转换为输出电压，并输出到负载上。
跨导运算放大器的关键特性之一是其输入电压和输出电流之间的关系。
通常情况下，它的输入电压和输出电流之间存在一个非线性的关系，这就导致了它的非线性失真。
然而，在许多应用中，这
种非线性关系可以被合理地控制和利用，从而实现一些特殊的功能。
在实际应用中，跨导运算放大器常常被用于模拟信号处理、滤
波器、混频器等电路中。
由于其高增益和宽带宽的特点，它在高频
信号处理和通信系统中得到了广泛的应用。
总的来说，跨导运算放大器是一种基于跨导概念的特殊放大器，它的工作原理是将输入电压转换成输出电流，具有高增益、宽带宽
和低失真的特点，在模拟电路中得到了广泛的应用。
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流进或者流出输入端 的电流为0
运算放大器与跨导放大器（1）
运算放大器与跨导放大器（2）
运算放大器（Opamp） 跨导放大器（OTA）
通用放大器 电压控制电压源（VCVS） 低输出阻抗
能驱动电阻性负载或电容性 负载
OTA＋Buffer
缓冲器增加了电路的复杂度 和功耗
差分对Cgd的Miller效应消除办法：
使用Cascode结构（可提高增益） 使用中和（Neutralization）电容
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
单级OTA：最大输出摆幅
调节输入/输出共模电 平，使得可获得的输 出电压摆幅达到最大
使用长沟道平方律方 程很容易确定优化的 输入/输出共模电平
受到短沟道效应的影 响
差分 摆幅
单端 摆幅
SW
2 min[Vout(max) Voc ,Voc Vout(min) ]
实际电路中输入/输出 共模电平是由跨导放 大器的接口电路（前 后级电路）决定的
跨导放大器的分析与设计（1）
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
理想运算放大器
差分输入端 差模电压增益为无穷
大 输入阻抗为无穷大 输出阻抗为0
单级OTA：输出摆幅
Vout(max) VDD Vminp
单
端
Vout(min) (Vic Vt Vov ) Vminn
摆
幅
SW 2 min[Vout(max) Voc ,Voc Vout(min) ]
可获得的输出电压摆幅与输入/输出共模电平有关
差分对和有源负载上的最低压降会限制可获得的 输出电压摆幅
➢ 线性时变电路
单级OTA：增益带宽积
增益带宽积与OTA输出阻抗无关 CLtot是OTA输出端看到的所有电容之和
单级OTA：单位增益带宽（1）
单级OTA：单位增益带宽（2）
单位增益带宽等于增益带宽积，限制：
没有靠近fu或频率低于fu的第二个极点 低频增益足够高，隐含着fu>>fp1
Ro的取值对电路在频率fu附近的电学特性没有影响
单级OTA
输出共模电平 不稳定
依赖于上下 两个电流镜 之间的电流 匹配程度
需要共模反 馈环路来稳 定输出共模 电平
差模半电路
跨导放大器的负载
低负载阻抗RL会大幅降低放大器的增益
RL可能是片外负载或来自反馈网络的负载效应
反馈系统的高精度要求放大器有高的增益
反馈网络采用高阻值电阻
➢ 占用大的芯片面积 ➢ 引入寄生极点，产生稳定性问题
两级OTA
Vop(min) Vovn
Vop(max) VDD Vovp
最大输出摆幅增加 增益更高：(gmro/2)2 输出电压摆幅不再与输入共模范围有关
带有反馈的差模半电路
晶体管代表每一
级的跨导，R*代 表每一级的输出
阻抗，C*代表容 性负载
第一级 等效电路
第二级 等效电路
Miller效应
绝大多数集成放大器都 是OTA
电压控制电流源（VCCS）
高输出阻抗
不能驱动低的电阻性负 载
采用电容性反馈（如开 关电容电路）
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
单级OTA的增益分析
小信号增益（Vid~0、Vod~0）
静态增益误差～1/T0~1/av0~1/25=4%
对很多应用来说，这种静态增益误差是不能满
足要求的
提高放大器的增益
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
使得ωp1很小 频率较高时，Cc近似短路，M2成为一个二极管型连接，
输出阻抗较低，使得ωp2很高
Miller补偿：极点分裂
Miller补偿：精确分析
Miller补偿：零极点分析
因为Cc的前馈作用，出现了右半平面的零点
右半平面零点与左半平面零点的相移
解决方案1：插入缓冲器
运算放大器
电路复杂度增加 额外的芯片面积和功耗
解决方案2：电容性反馈
反馈网络只有在高频下才会产生负载效应，放大器 的低频小信号增益不受影响
问题：电容上的电荷需要初始化
采用大的电阻与电容并联（芯片面积、寄生极点） 采用开关电容电路技术
➢ 需要两相时钟：一个时钟相用来实现电容上的电荷初始化，另 一个时钟相用来实现放大功能
环路增益的波特图
如果ωp1与 ωp2很接近 ，环路的 相位裕度 将会很小
提高相位裕度：引入一个主极点
提高相位裕度 ：使 ωp1<<ωp2或 ωp2<<ωp1
当频率小于单 位增益带宽时 ，环路近似具 有单极点系统 的频响特性
相位裕度
在单位增益带宽频率处，主极点使得传输函数相移-90度 非主极点在频率为ωc处的相移为-tan-1(ωc/ ωp2)
负载补偿
在第一级或第二级输出增加一个并联到地的补偿 电容，使该节点引入主极点
数值例子：
存在的问题：
补偿后fc很低，闭环增益的-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdB带宽很低 需要很大的补偿电容
➢单位面积电容量为1fF/um2，补偿电容所占芯片面 积为4mmX4mm
Miller补偿
补偿电容连接在第二级的输入与输出之间 频率较低时，因为Miller 效应，第二级的输入容抗增加，
例子：Vic=Voc=VDD/2
假设输出摆幅受限于Vminn，Vminn～Vov，则可获 得的最大差分输出峰峰电压摆幅为4Vt
考虑到饱和区向线性区转换是光滑的，如何来定 义放大器的输出电压范围？
直流分析：增益与输出摆幅
将输出摆幅定义为增益Vod/Vid下降不超过 30％时输出电压可取的范围