CMOS恒跨導運算放大器設(shè)計實用PPT課件

1、1 跨導運算放大器簡介（1 1）概述 跨導運算放大器(Operatinoal Transconductance Amplifier,簡稱OAT)是一種電壓輸入、電流輸出的電子放大器,是一種電壓控制的電流源?？鐚Х糯笃鞯脑鲆媸禽敵鲭娏髋c輸入電壓的比值,量綱為電導,單位為西門子(S)。由于跨導放大器內(nèi)部只有電壓一電流變換級和電流傳輸級,沒有電壓增益級,因此沒有大擺幅電壓信號和米勒電容增倍效應,高頻性能好,大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高,同時電路結(jié)構(gòu)簡單,電源電壓和功耗都比較低。第1頁/共42頁（2）跨導運算放大器模型 OTA的符號如圖所示,它有兩個輸入端,一個輸出端,一個控制端。符號上的“+”號表示同相輸

2、入端,“一”表示反相輸入端, 是輸出電流, 是偏置電流,即外部控制電流。 OTA的傳輸特性用下列方程式描述： 其中 輸出電流(A)； 是差模輸入電壓(V)；G是開環(huán)增益(S),稱為跨導增益。 在小信號下,跨導增益G是偏置電流 的線性函數(shù),其關(guān)系式為： h稱為跨導增益因子, 稱是熱電壓,在室溫條件下(T=300K)下, =26mv,可以計算出h=19.2(1/V)OIBIidOGVVVGI)(OIidVBIBhIG TVkTqh212TVTVOTA的電路符號第2頁/共42頁（3）OTA的小信號理想模型 根據(jù)上式傳輸特性方程式,可畫出OTA的小信號理想模型如圖所示。 對于這個理想模型,兩個電壓輸入

3、之間開路,差模輸入電阻為無窮大；輸出端是一個受差模輸入電壓控制的電流源,輸出電阻為無窮大。同時,理想跨導放大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬度等參數(shù)均為無窮大,輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等參數(shù)均為零。OTA的小信號理想模型第3頁/共42頁2 CMOS恒跨導運算放大器的設(shè)計（1）設(shè)計指標 工作電壓： 2.7V 直流開環(huán)增益：90dB 相角裕度： 增益帶寬積：1.4MHz 負載電容：25pF70第4頁/共42頁（2）運算放大器原理框圖 輸入級采用互補差分對結(jié)構(gòu)，使共模輸入電壓范圍達到軌到軌，通過3倍電流鏡控制尾電流使輸入級總跨導恒定。 中間級為增益提高級，通過反饋增大輸出阻抗提高增益。 輸出級

4、采用AB類結(jié)構(gòu)，通過米勒補償控制零點使系統(tǒng)穩(wěn)定，此運放可用于低壓低功耗電子設(shè)備中。ININoutV跨導運算放大器工作原理第5頁/共42頁（3）輸入級電路原理圖 M1和M2為對PMOS的差分對管，M3和M4為NMOS差分對管，M5和M8為控制尾電流的開關(guān)管。其中，M1和M3接正的輸入信號IN+，M2和M4接負的輸入信號IN-。 當Vcm接近于Vss時，M1和M2差分對管導通，PMOS電流開關(guān)管M8截止，NMOS開關(guān)管M5導通，則電流 被M5抽走，經(jīng)過1:3電流鏡M6和M7后注入到 中，為M1和M2提供4倍尾電流； 當Vcm接近于Vdd時，M3，M4和M8導通，M5截止，則尾電流 經(jīng)開關(guān)管M8和1

5、:3電流鏡M9和M10給輸入管M3和M4提供4倍尾電流； 當Vcm處于中間狀態(tài)時，互補差分輸入管M1，M2，M3，M4均工作，開關(guān)管M5和M8均截止，此時只有 和 提供尾電流，從而電路跨導保持恒定。（Vcm為共模輸入電壓）1refI2refI2refI1refI2refI3倍電流鏡輸入級電路圖第6頁/共42頁（4）增益級 本設(shè)計的運算放大器利用反饋增大輸出阻抗，實現(xiàn)高直流增益，放大輸入級產(chǎn)生的兩對差分輸入電流 與 ，運算放大器A1和A2為晶體管M14和M18提供電壓增益，最終放大的信號驅(qū)動輸出晶體管M26和M22的柵端。inpinp/ iiinninn/ ii增益提高的AB類運算放大器第7頁/

6、共42頁 增益級簡化電路 本設(shè)計采用增益自舉式結(jié)構(gòu)，通過反饋增大輸出阻抗。如圖a，在增益自舉式結(jié)構(gòu)中，前跨導級把輸入電壓轉(zhuǎn)化為輸入電流 ，共源共柵晶體管M用于放大電流 ，運算放大器A用來控制M的柵極。變化的電流流經(jīng)M的溝道和有限的源端阻抗 ，在M的源端產(chǎn)生一個小的變化電壓，調(diào)制了輸入電流 。電路中形成反饋回路，從而A把源端電壓固定在參考電壓Vref上。這強迫流經(jīng)源端阻抗 的電流減少，輸入電流 全部流入共源共柵晶體管M。所有流入M端的電流再次出現(xiàn)在M端的漏端，此時電路可視為一個極高輸出阻抗的理想電流源。iniiniiniini2or2or增益提高簡化電路第8頁/共42頁 小信號等效電路 對CMO

7、S增益提高電路進行小信號分析，如圖b其中V0為M的源端電極，V1為M的柵源電壓差， 為M的漏極輸出電壓， 為M的漏極輸出電流由上式可以得到輸出阻抗：而單共源共柵電路的輸出阻抗為：電路的小信號分析表明輸出阻抗 值增大。20oxrIV100-VVAVxomxVVrVgI011)(xxoutIVZ21) 1(oomoutrrgAZ21 oomrrgoutZ增益提高的小信號等效電路xIxV第9頁/共42頁 輸出級 輸出級采用AB類結(jié)構(gòu)，增強了電路驅(qū)動能力，并提高了電源效率。電容與電阻串聯(lián)構(gòu)成米勒補償，控制波特圖右半平面的零點，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。增益提高的AB類運算放大器第10頁/共42頁 謝謝 ！第11

8、頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第12頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第13頁/共42頁 微弱信號概述 微弱信號相關(guān)檢測技術(shù) 相關(guān)檢測的應用鎖定放大器第14頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第15頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第16頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第17頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第18頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第19頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第20頁/共42頁請在此輸入您的標題 請在此輸入您的文本。第2

9、1頁/共42頁微弱信號概述第22頁/共42頁第23頁/共42頁第24頁/共42頁第25頁/共42頁NS)(信號中含有的噪聲功率信號功率信噪比SNRiiooNSNS)S(輸入端信噪比輸出端信噪比信噪改善比NIR第26頁/共42頁微弱信號相關(guān)檢測技術(shù) 信號與噪聲有本質(zhì)區(qū)別。信號是有規(guī)律的，能夠重復，其后續(xù)信號與早先信號是有關(guān)聯(lián)的，信號可以用一個確定的時間函數(shù)來描述;而噪聲恰恰相反，不能用一個確定的時間函數(shù)來描述。因此，可利用信號自身存在的規(guī)律(即相關(guān)性）來尋找信號，也可以利用一個與被測信號規(guī)律性(二者之間也有相關(guān)性）部分相同的已知信號來尋找被測信號，達到去除噪聲的目的，這就是相關(guān)性原理的基本點。相

10、關(guān)檢測技術(shù)就是根據(jù)相關(guān)性原理，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲，達到檢測微弱信號的一種技術(shù)。第27頁/共42頁 )()(1lim)()(22TTdttxtxTRRTxx )()(1lim)(22TTdttytxTRTxy )()(1lim)(22TTdttxtyTRTyx第28頁/共42頁 tntStfiii第29頁/共42頁)(tfi)(R)(R)(R)(R )()()()( )()()()(1lim )()()()(1lim )()(1lim)(nnnssnss222222222222TTTTTTTTTTTTdttntndttstndttntsdttstsTdttnt

11、stntsTdttftfTRiiiiiiiiiiiiii0)()(nssnRR0)(limnnR)()(ssRR第30頁/共42頁第31頁/共42頁 tntStf11 tStf22第32頁/共42頁)(R)(R )()()(1lim )()(1lim)(2212222s212112nssTTTTTTdttstntsTdttftfTR0)(2nsR)()(2112ssRR第33頁/共42頁四、互相關(guān)檢測的應用鎖定放大器窄窄帶帶濾濾波波放放大大)(1tU)(2tU)(1tUs)(tUO輸入信號參考信號鎖定放大器原理第34頁/共42頁鎖定放大器理論推導設(shè)輸入信號：其中， 為隨機噪聲， 為有用信號，A

12、為其幅值， 角頻率為，初相角為參考信號：其中B為幅值， 是時間位移， 為隨機噪聲，則兩者的相關(guān)函數(shù)為： =由于在被測量的信號里所包含的各種信號分量中,參考信號Y(t)的頻率只與輸入的有用信號頻率相關(guān)，與隨機噪聲N( t)的頻率不相關(guān)，且有用信號S ( t)與隨機噪聲 M（t）之間及噪聲與噪聲之間的頻率也均相 互獨立，所以它們的相關(guān)函數(shù)為零 即 = 0,從而令鎖相放大器實現(xiàn)了從噪聲中提取 有用信號的目的。 )()sin()()()(tNtAtNtStX)(tN)(tS)()sin()(tMtBtY)(tMdttNtAtMtBTtRTTxy)()sin()()sin(1lim)(0)()cos(2tRtABny)(nyR第35頁/共42頁鎖定放大器的特點l 第