运算放大器及频率补偿(2008)
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Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
wenku.baidu.com
⑥ 共模输入范围:当输入共模电压变化时,运放的差模增 益没有明显改变的输入共模电压范围. ⑦ 输出电压摆幅:没有产生失真(在一定失真范围内)的 输出电压的最大范围. ⑧ 线性度:在正弦输入时,测试总谐波失真THD.将除基 频外的所有谐波能量之和用基频能量归一化. 总谐波能量 THD = 0.01% → 80dB, 0.1% → 60dB 基频能量 ⑨ 电源抑制比 :表征电源噪声对输出的影响.
A→∞
AV =
Vout Z = 2 Vin Z1
跨导放大器OTA
只是驱动负载电容,高增益来自高输出 阻抗,常应用在SC电路中.
C
二级运放
高增益+大摆幅.由于有第二级,第一级的输出摆幅可以 很小,第一级的负载是第二级的输入阻抗,通常是电容, 故第一级可以用OTA.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
越大越好,是频率的函数.正,负电源的电源抑制比不同.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
⑩ 噪声与失调:确定了能被合理处理的最小信号电平. 其他非理想特性:
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
提升增益的方法(单级放大器的 结构一样).
W g m = 2 βI ∝ I L ro = 1 L ∝ λI I
∴ AV = g m ro ∝ WL / I
方法1:减小 I D AV ↑, ω μ ↓ 方法2:电流不变,增加L,W 例:增加负载:
555μ 1111μ W = → 1μ L 58 0.5μ
二级运放
第一级提供高增益;第二级提供大摆幅. 与级联共源共栅运放相比,二级结构把 增益与摆幅的要求分开处理,以满足高 增益大摆幅的要求. 如图二级运放,第一级采用CMOS差 分放大器,以提供高增益;第二级是 简单的共源级的典型结构,以提供最 大的输出摆幅.
g m1, 2 (ro1, 2 // ro 3, 4 )
① 增益:一般指运放的开环直流(低频)增益. 在DC条件下,在输入加一小信号,得到输出电压. Ad = 10 ~ 105 (20dB 100dB ) 高增益: Ad ~ 80 100dB ② 共模增益:在输入加共模小信号,得到输出电压.
ACM ~ 20 40dB
③ 共模抑制比:CMRR
CMRR ~ 40 80dB
共源共栅级
增益估计:
Ao = g m 2 ro 2 g m1ro1
g m 2 ro 2 可使增益提高20-40倍.
X
利用M2的增益提升技术可使增益>80dB. 带宽估计: 引入了一个新极点x,但ωx可设计在高频
g m1 ωμ = = CL =
因此主极点没有改变 2 βI o ω ↑ I ↑, (决定偏置电流)
λn = 0.1V 1 , λ p = 0.2V 1 (l = 0.5μm) Vthn = Vthp = 0.7V , γ = 0
根据power确定电流: 功耗和偏置电流有关,而偏置电 流与带宽及转换速率有关. 一般,ω μ → I o → Power
10mw = 3V × I total I t = 3.33mA
W L = 0.5μ , = 555μ / 0.5μ L 5 8
求增益
AV = g m1 [( g m 3 ro 3 ro1 ) // (g m 5 ro 5 ro 7 )] ≈ 1416 < 2000
结论:必须使增益上升.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
(由误差确定增益A)
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
(很稳定)
运算放大器及频率补偿
反相放大
输入共模是在一个固定的电平.例如在图中,运放输入电 平是地. Z2 输入的范围可以较小,但输出的幅度 Z1 很大,rail-to-rail.
Vin A Vout
I m 9 = 3mA, 剩余分配给M b1和M b 2 I mb1,mb 2 = 330 μA
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
I D1 = I D 2 = 1.5mA
运算放大器及频率补偿
根据输出摆幅决定每个管子的 Vdsat(Veff). X,Y的摆幅为1.5v
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
运放的转换速率
概念
如图RC电路,是线性电路
Vout 1 sC 1 = = Vin R + 1 sC 1 + sRC
对输入阶跃信号,
Vout = Vo [1 exp( t / τ )]
Vo Vo
掌握稳定性判据和相位裕度的概念
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
内容
运算放大器的性能参数 单级运放 二级运放 运放的转换速率,共模反馈及增益提升技 术 运放的频率补偿 高性能运算放大器 运放的设计步骤
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
∴Vb VTH 4 ≤ Vout ≤ Vx + VTH 2 = Vb VGS 4 + VTH 2
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
"折叠式"共源共栅运放
特点:输入和输出电平相近,便 于级联或采用单位增益缓冲器 结构. 折叠和套筒式结构的性能比较:
X M5 M6 Y
1) 折叠式多一路电流,功耗大 2) 在偏置电流和管子尺寸相同的 情况下,增益下降2-3倍.
1 因为M5流过二路电流, ro = ↓ ro 2 // ro 5 ↓ Rout ↓ λI
3) M5的寄生电容增加,折叠点对应的极点更靠近原点. 4) 输出摆幅更大,噪声更大.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
λ p = 0.2 → 0.1, AV = 4000
AV ↓ (W / L )58 ↓ Vdsat 58 ↑ Vdsat 9 ↓ 可适当降低Vdsat9
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
套筒式运放的缺点.
① 由于 M 38(套筒式),使输出摆幅较小. ② 不能采用输出和输入短接的方法,形 成单位增益缓冲放大器. 输出和输入的共模范围相差的比较大. 如图,M2,M4在饱和区 对M4: Vout ≥ Vb VTH 4 对M2: Vx ≥ Vout VTH 2
运算放大器及频率补偿
⑤ 大信号频率特性: 在瞬态输入大信号工作时,表征运放的速度. 一般也有二种方法:转换速率或压摆率(slew rate)和建立时 间(settle time )
转换速率:输入阶跃信号时,输出电压的最大变化率.同 时,正向和反向的slew rate是不同的. 建立时间:输入阶跃信号时,输出的稳定时间.和负载电容 等参数有关.
共模增益越小越好,共模抑制比越大越好.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
④ 小信号频率特性: 有二种表示方法:单位增益带宽和-3dB带宽. 运放的差模和共模信号的输入输出关系可表示为:
对差模输入:
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
从设计角度透视:
模拟集成电路
运算放大器及频率补偿
彭勇
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
目的及要求
突出运算放大器的分析与设计以及频率 补偿 理解各种CMOS运放的分析与设计方法 以及不同的补偿技术
运放的概念及主要参数 运放的分析方法及性能参数的折衷考虑 运放的频率补偿技术
τ = RC
dVout Vo = τ dt
t exp τ
斜率和Vo成正比
CL
μ
o
βVeff
CL
Veff ↑, ω μ ↑ VDD ↑, ω μ ↑ →输出摆幅低.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
"套筒式"(伸缩式)共源共栅运放
例:设计指标:差分输出摆幅=3V
VDD = 3V , AV = 2000, power = 10mw μ nCox = 60 μA / V 2 , μ p Cox = 30 μA / V 2
概述
运放一般是"高增益的差分放大器" 若运放的差模增益无限大,则, 输入端口有:
理想运算放大器: 是一个电压控制的电压源,具有无限大的增益,输 入阻抗 无限大,输出阻抗为零.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
运算放大器的性能参数
运算放大器的一般结构
输入级是差分输入,可以提供双端-单端转换. 中间级和输入级结合提供总增益,电平位移,电流等. 输出缓冲提供对低负载电阻的驱动
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
单级运放
共源级
单级运放的增益:
Ao = g m Rout
VDD 1.5V = 1.5V Vd 9 + Vd 1 + Vd 3 + Vd 5 + Vd 7 = 1.5V
QI =
1 2 βVeff 2
I ↑, Veff ↑
M9的电流最大,∴Vdsat 9 = 0.5V
Q μ n > μ p , β n > β p ∴Vdsat 5, 7 > Vdsat1,3
Vdsat 5 = Vdsat 7 = 0.3V Vdsat1 = Vdsat 3 = 0.2V
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
根据Veff和I确定MOS管的宽长比.
1 2 Q I = βVeff 2 W W W = 1250, = 1111, = 400 L 5 8 L 9 L 1 4
第一级增益为 g m1, 2 (ro1, 2
// ro 3, 4 ) 第二级增益为 g m 6 ( ro 6 // ro 7 ) 总增益为 g m1, 2 (ro1, 2 // ro 3, 4 ) g m 6 ( ro 6 // ro 7 )
输出摆幅为 VDD VOD 6 VOD 7(比共源共栅级摆幅大)
R C
Rout < ro 对共源放大等 故单级运放的增益小于本征增益. Ao = g m ro ~ 10 30
(20 30dB )
gm CL
Ao
有一个极点:
ω1 =
1 RL C L
ωμ =
ω1
ωμ
f
结论:只有单级共源共栅放大器才 能达到高增益.
运算放大器及频率补偿
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
例:
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
运算放大器的典型应用
Vin A Vout Z2 Z1
同相放大(缓冲放大):输入和输出幅度rail-to-rail.
若A是放大器的开环增益.
Z2 Vin Vout A = Vout Z1 + Z 2
闭环增益:
Z + Z2 A 1 A = 1 ≈ 1 + Z1 1 Z 2 β A Z2 Z 2 Z1 + Z 2 + A A Z2 Z1 + Z 2 Z2 环路增益:βA 反馈系数: β = Z1 + Z 2 1 1 ↓, βA >> 1, AV = 1 + Z1 Z 2 是增益相对误差,A ↑ βA βA Vout = Vin 1 +
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⑥ 共模输入范围:当输入共模电压变化时,运放的差模增 益没有明显改变的输入共模电压范围. ⑦ 输出电压摆幅:没有产生失真(在一定失真范围内)的 输出电压的最大范围. ⑧ 线性度:在正弦输入时,测试总谐波失真THD.将除基 频外的所有谐波能量之和用基频能量归一化. 总谐波能量 THD = 0.01% → 80dB, 0.1% → 60dB 基频能量 ⑨ 电源抑制比 :表征电源噪声对输出的影响.
A→∞
AV =
Vout Z = 2 Vin Z1
跨导放大器OTA
只是驱动负载电容,高增益来自高输出 阻抗,常应用在SC电路中.
C
二级运放
高增益+大摆幅.由于有第二级,第一级的输出摆幅可以 很小,第一级的负载是第二级的输入阻抗,通常是电容, 故第一级可以用OTA.
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越大越好,是频率的函数.正,负电源的电源抑制比不同.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
⑩ 噪声与失调:确定了能被合理处理的最小信号电平. 其他非理想特性:
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
提升增益的方法(单级放大器的 结构一样).
W g m = 2 βI ∝ I L ro = 1 L ∝ λI I
∴ AV = g m ro ∝ WL / I
方法1:减小 I D AV ↑, ω μ ↓ 方法2:电流不变,增加L,W 例:增加负载:
555μ 1111μ W = → 1μ L 58 0.5μ
二级运放
第一级提供高增益;第二级提供大摆幅. 与级联共源共栅运放相比,二级结构把 增益与摆幅的要求分开处理,以满足高 增益大摆幅的要求. 如图二级运放,第一级采用CMOS差 分放大器,以提供高增益;第二级是 简单的共源级的典型结构,以提供最 大的输出摆幅.
g m1, 2 (ro1, 2 // ro 3, 4 )
① 增益:一般指运放的开环直流(低频)增益. 在DC条件下,在输入加一小信号,得到输出电压. Ad = 10 ~ 105 (20dB 100dB ) 高增益: Ad ~ 80 100dB ② 共模增益:在输入加共模小信号,得到输出电压.
ACM ~ 20 40dB
③ 共模抑制比:CMRR
CMRR ~ 40 80dB
共源共栅级
增益估计:
Ao = g m 2 ro 2 g m1ro1
g m 2 ro 2 可使增益提高20-40倍.
X
利用M2的增益提升技术可使增益>80dB. 带宽估计: 引入了一个新极点x,但ωx可设计在高频
g m1 ωμ = = CL =
因此主极点没有改变 2 βI o ω ↑ I ↑, (决定偏置电流)
λn = 0.1V 1 , λ p = 0.2V 1 (l = 0.5μm) Vthn = Vthp = 0.7V , γ = 0
根据power确定电流: 功耗和偏置电流有关,而偏置电 流与带宽及转换速率有关. 一般,ω μ → I o → Power
10mw = 3V × I total I t = 3.33mA
W L = 0.5μ , = 555μ / 0.5μ L 5 8
求增益
AV = g m1 [( g m 3 ro 3 ro1 ) // (g m 5 ro 5 ro 7 )] ≈ 1416 < 2000
结论:必须使增益上升.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
(由误差确定增益A)
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
(很稳定)
运算放大器及频率补偿
反相放大
输入共模是在一个固定的电平.例如在图中,运放输入电 平是地. Z2 输入的范围可以较小,但输出的幅度 Z1 很大,rail-to-rail.
Vin A Vout
I m 9 = 3mA, 剩余分配给M b1和M b 2 I mb1,mb 2 = 330 μA
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
I D1 = I D 2 = 1.5mA
运算放大器及频率补偿
根据输出摆幅决定每个管子的 Vdsat(Veff). X,Y的摆幅为1.5v
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
运放的转换速率
概念
如图RC电路,是线性电路
Vout 1 sC 1 = = Vin R + 1 sC 1 + sRC
对输入阶跃信号,
Vout = Vo [1 exp( t / τ )]
Vo Vo
掌握稳定性判据和相位裕度的概念
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
内容
运算放大器的性能参数 单级运放 二级运放 运放的转换速率,共模反馈及增益提升技 术 运放的频率补偿 高性能运算放大器 运放的设计步骤
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
∴Vb VTH 4 ≤ Vout ≤ Vx + VTH 2 = Vb VGS 4 + VTH 2
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运算放大器及频率补偿
"折叠式"共源共栅运放
特点:输入和输出电平相近,便 于级联或采用单位增益缓冲器 结构. 折叠和套筒式结构的性能比较:
X M5 M6 Y
1) 折叠式多一路电流,功耗大 2) 在偏置电流和管子尺寸相同的 情况下,增益下降2-3倍.
1 因为M5流过二路电流, ro = ↓ ro 2 // ro 5 ↓ Rout ↓ λI
3) M5的寄生电容增加,折叠点对应的极点更靠近原点. 4) 输出摆幅更大,噪声更大.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
λ p = 0.2 → 0.1, AV = 4000
AV ↓ (W / L )58 ↓ Vdsat 58 ↑ Vdsat 9 ↓ 可适当降低Vdsat9
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
套筒式运放的缺点.
① 由于 M 38(套筒式),使输出摆幅较小. ② 不能采用输出和输入短接的方法,形 成单位增益缓冲放大器. 输出和输入的共模范围相差的比较大. 如图,M2,M4在饱和区 对M4: Vout ≥ Vb VTH 4 对M2: Vx ≥ Vout VTH 2
运算放大器及频率补偿
⑤ 大信号频率特性: 在瞬态输入大信号工作时,表征运放的速度. 一般也有二种方法:转换速率或压摆率(slew rate)和建立时 间(settle time )
转换速率:输入阶跃信号时,输出电压的最大变化率.同 时,正向和反向的slew rate是不同的. 建立时间:输入阶跃信号时,输出的稳定时间.和负载电容 等参数有关.
共模增益越小越好,共模抑制比越大越好.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
④ 小信号频率特性: 有二种表示方法:单位增益带宽和-3dB带宽. 运放的差模和共模信号的输入输出关系可表示为:
对差模输入:
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
从设计角度透视:
模拟集成电路
运算放大器及频率补偿
彭勇
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
目的及要求
突出运算放大器的分析与设计以及频率 补偿 理解各种CMOS运放的分析与设计方法 以及不同的补偿技术
运放的概念及主要参数 运放的分析方法及性能参数的折衷考虑 运放的频率补偿技术
τ = RC
dVout Vo = τ dt
t exp τ
斜率和Vo成正比
CL
μ
o
βVeff
CL
Veff ↑, ω μ ↑ VDD ↑, ω μ ↑ →输出摆幅低.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
"套筒式"(伸缩式)共源共栅运放
例:设计指标:差分输出摆幅=3V
VDD = 3V , AV = 2000, power = 10mw μ nCox = 60 μA / V 2 , μ p Cox = 30 μA / V 2
概述
运放一般是"高增益的差分放大器" 若运放的差模增益无限大,则, 输入端口有:
理想运算放大器: 是一个电压控制的电压源,具有无限大的增益,输 入阻抗 无限大,输出阻抗为零.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
运算放大器的性能参数
运算放大器的一般结构
输入级是差分输入,可以提供双端-单端转换. 中间级和输入级结合提供总增益,电平位移,电流等. 输出缓冲提供对低负载电阻的驱动
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
单级运放
共源级
单级运放的增益:
Ao = g m Rout
VDD 1.5V = 1.5V Vd 9 + Vd 1 + Vd 3 + Vd 5 + Vd 7 = 1.5V
QI =
1 2 βVeff 2
I ↑, Veff ↑
M9的电流最大,∴Vdsat 9 = 0.5V
Q μ n > μ p , β n > β p ∴Vdsat 5, 7 > Vdsat1,3
Vdsat 5 = Vdsat 7 = 0.3V Vdsat1 = Vdsat 3 = 0.2V
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 运算放大器及频率补偿
根据Veff和I确定MOS管的宽长比.
1 2 Q I = βVeff 2 W W W = 1250, = 1111, = 400 L 5 8 L 9 L 1 4
第一级增益为 g m1, 2 (ro1, 2
// ro 3, 4 ) 第二级增益为 g m 6 ( ro 6 // ro 7 ) 总增益为 g m1, 2 (ro1, 2 // ro 3, 4 ) g m 6 ( ro 6 // ro 7 )
输出摆幅为 VDD VOD 6 VOD 7(比共源共栅级摆幅大)
R C
Rout < ro 对共源放大等 故单级运放的增益小于本征增益. Ao = g m ro ~ 10 30
(20 30dB )
gm CL
Ao
有一个极点:
ω1 =
1 RL C L
ωμ =
ω1
ωμ
f
结论:只有单级共源共栅放大器才 能达到高增益.
运算放大器及频率补偿
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
例:
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd
运算放大器及频率补偿
运算放大器的典型应用
Vin A Vout Z2 Z1
同相放大(缓冲放大):输入和输出幅度rail-to-rail.
若A是放大器的开环增益.
Z2 Vin Vout A = Vout Z1 + Z 2
闭环增益:
Z + Z2 A 1 A = 1 ≈ 1 + Z1 1 Z 2 β A Z2 Z 2 Z1 + Z 2 + A A Z2 Z1 + Z 2 Z2 环路增益:βA 反馈系数: β = Z1 + Z 2 1 1 ↓, βA >> 1, AV = 1 + Z1 Z 2 是增益相对误差,A ↑ βA βA Vout = Vin 1 +