模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì) 09 運(yùn)算放大器

第九章

模擬運(yùn)算放大器1模擬運(yùn)算放大器的一些重要參數(shù)低頻差模增益Ad單位增益帶寬最大功率帶寬輸出電壓(流)擺幅線性噪聲與失調(diào)轉(zhuǎn)換速率SR共模抑制比CMRR電源抑制比PSRR運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)是許多模擬系統(tǒng)和模數(shù)混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)完整部分。大量的具有不同復(fù)雜程度的運(yùn)放被用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能：從直流偏置的產(chǎn)生到高速放大或慮波。伴隨著每一代CMOS工藝，由于電源電壓和MOS管溝道長(zhǎng)度的減小，為運(yùn)放的設(shè)計(jì)不斷提出復(fù)雜的課題。如低電壓工作中的全擺幅運(yùn)放(RailtoRailAmp)、多極運(yùn)放的設(shè)計(jì)等等。理解和學(xué)好運(yùn)放知識(shí)是為今后更好從事模擬電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種運(yùn)用與實(shí)踐。2運(yùn)放的性能參數(shù)（1）差模開環(huán)增益Ad：運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，其輸出電壓與差模輸入電壓之比，常用分貝dB表示。開環(huán)帶寬BW（小信號(hào)帶寬）：開環(huán)增益下降3dB（或直流增益的0.707倍）時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率。也稱f3dB帶寬。全功率帶寬BWP（大信號(hào)帶寬）：運(yùn)放跟隨器連接時(shí)，當(dāng)輸入正弦大信號(hào)后，在額定負(fù)載、一定的失真條件下，運(yùn)放輸出電壓幅度達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率。3運(yùn)放的性能參數(shù)（3）輸出峰-峰電壓Vopp(輸出擺幅)

：指在特定負(fù)載條件下,運(yùn)放能輸出的最大電壓幅度,即輸出擺幅。線性：運(yùn)放開環(huán)有很大的非線性，全差動(dòng)運(yùn)放可以減小非線性，負(fù)反饋也可以減小非線性，開環(huán)增益越大，負(fù)反饋后帶來(lái)的非線性就越小。等效輸入噪聲電壓：屏蔽良好、無(wú)信號(hào)輸入的集成運(yùn)放，在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無(wú)規(guī)則的干擾電壓。普通運(yùn)放該值約為10～20uV4運(yùn)放的性能參數(shù)（2）輸入失調(diào)電壓Vos：在運(yùn)放零輸入時(shí)為使輸出為零需在輸入端所加的直流電壓。通常以BJT作為差分輸入級(jí)的運(yùn)放Vos較小，約幾毫伏，MOSFET輸入級(jí)的運(yùn)放（常規(guī)結(jié)構(gòu)）Vos相對(duì)較大。電源電壓抑制比PSRR：運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，輸入失調(diào)電壓隨電源電壓改變的變化率，即：5單級(jí)運(yùn)算放大器第四章中的差分對(duì)就是單級(jí)運(yùn)算放大器，圖(a)、(b)分別是單端和雙端輸出形式，從前面學(xué)過(guò)的知識(shí)可知，兩種結(jié)構(gòu)的小信號(hào)增益相同，但因(a)比(b)多一個(gè)“鏡像”極點(diǎn)，故帶寬比對(duì)稱輸出結(jié)構(gòu)要窄，由于(b)的靜態(tài)工作點(diǎn)不能“目測(cè)”，故還需共模反饋電路才能正常工作。6單級(jí)放大器接成單位增益緩沖器這種接法也稱為跟隨器連接方式7“套筒式”共源共柵(Cascode)運(yùn)放8“套筒式”運(yùn)放跟隨器連接時(shí)的輸出擺幅M2飽和要求：M4飽和要求：輸出電壓范圍注意：因Vb的限制，共模輸入電壓范圍也很窄。VinmaxVX+VTN=Vb-VGS3(4)+VTN9利用自舉電路擴(kuò)展共模和輸出電壓范圍bp虛框內(nèi)電路構(gòu)成自舉電路：當(dāng)VincMVP，因M9流過(guò)的電流恒定，故Vb＝VGS9+VR+VP，即Vb跟隨輸入共模電壓的升高而“自舉”提高，從而擴(kuò)展了共模輸入電壓范圍，同時(shí)也擴(kuò)展了該電路接成跟隨器時(shí)的輸出電壓范圍。注意，當(dāng)電路不是接成跟隨器時(shí)，其輸出電壓的擺幅依然決定于共模輸入電壓范圍！10折疊式共源共柵放大器（1）同型NMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器P－NMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器兩種結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？11折疊式共源共柵放大器（2）同型PMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器N－PMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器兩種結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？12套筒式與折疊式共源共柵運(yùn)放的區(qū)別套筒式運(yùn)放的偏置電流同時(shí)供給輸入對(duì)管和共柵管，折疊式運(yùn)放的輸入對(duì)管和共柵管需不同的偏置電流通常折疊式運(yùn)放比套筒式運(yùn)放要消耗更多的功耗。兩種結(jié)構(gòu)的共模輸入電壓范圍有明顯區(qū)別，對(duì)于套筒式運(yùn)放而言，VincMVb1-VGS3+VTN，對(duì)于折疊式而言，VincMVb1-VGS3+|VTP|，這時(shí)折疊式可直接接成跟隨器形式。13折疊式共源共柵運(yùn)放（2）差模半電路14套筒式與折疊式運(yùn)放差模增益的區(qū)別因NMOS的跨導(dǎo)比PMOS跨導(dǎo)大，且r01//r02<r01,故套筒式運(yùn)放的增益比折疊式運(yùn)放的增益大23倍。15套筒式與折疊式運(yùn)放折疊點(diǎn)的區(qū)別套筒式折疊點(diǎn)電容Ctot包括CGS3、CSB3、CDB1和CGD1，折疊式中還要包括CDB5和CGD5，且添加的這兩個(gè)電容相當(dāng)大，因?yàn)榱鬟^(guò)M5的電流本身就較大，為了減小過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓以增加輸出擺幅，其寬長(zhǎng)比就更大，結(jié)果該折疊點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)比套筒式運(yùn)放更靠近原點(diǎn)，帶寬就比套筒式運(yùn)放窄。16NMOS差分輸入對(duì)管的折疊式運(yùn)放本電路因NMOS差分輸入對(duì)管的跨導(dǎo)比PMOS管大，故增益也比輸入對(duì)管為PMOS管時(shí)更大，但折疊點(diǎn)的寄生電容會(huì)更大(相同電流相同過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓下PMOS的寬長(zhǎng)比更大)，帶寬會(huì)比輸入對(duì)管為PMOS管時(shí)更窄。17單端輸出套筒式運(yùn)放增加輸出擺幅原理同低壓共源共柵電流鏡18三層疊共源共柵套筒式運(yùn)放該結(jié)構(gòu)雖然可獲得高增益，但擺幅受限嚴(yán)重，實(shí)踐中較少采用；同時(shí)節(jié)點(diǎn)增多，由此產(chǎn)生的極點(diǎn)也比兩層疊的共源共柵運(yùn)放多，帶寬也要窄一些。19套筒式與折疊式運(yùn)放的比較分析折疊式運(yùn)放與套筒式運(yùn)放相比，輸出擺幅相對(duì)較大(比套筒式運(yùn)放少折疊一個(gè)MOS管)，這是以較大功耗、較小的增益、較小的帶寬和較大的噪聲獲得的。盡管如此，折疊式運(yùn)放比套筒式運(yùn)放運(yùn)用更為廣泛，因?yàn)樗梢灾苯咏映筛S器形式(折疊式常用于單級(jí)運(yùn)放，兩極運(yùn)放中，第一級(jí)還是常用套筒式運(yùn)放)，而套筒式運(yùn)放不能接成跟隨器形式(僅用作跟隨器時(shí)，利用自舉技術(shù)可以解決這一問(wèn)題)。不論那種結(jié)構(gòu)，雙端輸出比單端輸出帶寬更寬(沒(méi)有“鏡像極點(diǎn)”)。20兩極運(yùn)放單級(jí)放大器的增益一般最大可做到70dB左右(在L較小時(shí)這個(gè)值很難達(dá)到)，要獲得更高增益時(shí)需兩極或兩極以上(對(duì)于小L值、低電源電壓情況)放大才能得到，在兩極運(yùn)放中，第一極通常用來(lái)獲得高增益，第二級(jí)用來(lái)獲得大輸出擺幅。這樣做的目的一是解決了高增益與輸出擺幅的矛盾，另一方面也容易滿足運(yùn)放穩(wěn)定性要求，同時(shí)可以減小運(yùn)放的等效失調(diào)電壓。21雙端輸出的兩極運(yùn)放1.增益為多少？2.那一個(gè)節(jié)點(diǎn)是第一主極點(diǎn)？第二主極點(diǎn)呢？3.輸出擺幅＝？4.CMR如何？CommonModeRange22單端輸出的兩極運(yùn)放與前面雙端輸出運(yùn)放有那些區(qū)別(增益和帶寬)？還需要共模反饋電路嗎？共模輸入電壓(CMR)范圍如何？可以接成跟隨器連接方式嗎？23帶自舉電路的單端輸出兩極運(yùn)放24單端輸出的兩極運(yùn)放25利用負(fù)反饋提高小信號(hào)輸出電阻26增益提高運(yùn)放的原理注意：M3、I1構(gòu)成的輔助放大器減小了輸出電壓擺幅。沒(méi)有時(shí)V0min=Von2+Von1,V0min=Von2+VGS327增益提高運(yùn)放的實(shí)現(xiàn)28差分增益提高運(yùn)放（1）M5、M6、ISS2限制了輸出電壓擺幅。大約比以前減小了一個(gè)閾值電壓VTN。Vd3min=Von3+VGS5+VonIss229差分增益提高運(yùn)放（2）V0min與輔助放大器無(wú)關(guān)!Vd3min=Von3+Von1+VonIss130各種不同運(yùn)放的性能比較增益擺幅速度功耗噪聲套筒式共源共柵中中高低低折疊式共源共柵中中高中中兩極運(yùn)放高高低中低增益提高運(yùn)放高中中高中31共模反饋（CMFB

）的概念（1）靜態(tài)工作點(diǎn)可以“目測(cè)”的簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)32共模反饋的概念（2）靜態(tài)工作點(diǎn)不能“目測(cè)”的簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)33共模反饋的概念（3）高增益恒流源負(fù)載差分放大器的簡(jiǎn)化模型34CMFB的原理結(jié)構(gòu)圖35電阻檢測(cè)的CMFB缺點(diǎn)是R1、R2需很大(為什么？)，版圖面積、寄生電容和噪聲會(huì)很大。請(qǐng)畫出左圖的差模半電路。36采用源跟隨器的CMFB為保證大擺幅時(shí)M7、M8不截至，I1、I2需較大值。V0min=VGS7+VonI1,大約增加了一個(gè)閾值電壓VTN。37測(cè)量和控制輸出共模電平38控制輸出共模電平的另一種方法39利用深線性區(qū)工作的MOS管的CMFB假定M7、M8工作于深線性區(qū)40采用線性器件的CMFBM7、M8限制了輸出電壓擺幅,要減小M7、M8兩端的電壓降，必須采用大器件，會(huì)使CP寄生電容明顯增加。輸出共模電平是器件參數(shù)的函數(shù)41控制輸出共模電平的另一種方法M7、M8的電壓降不會(huì)影響輸出電壓擺幅，但會(huì)減小輸入共模電壓范圍。輸出共模電平依然是器件參數(shù)的函數(shù)。若I1跟蹤ID9,(W/L)16=(W/L)7+(W/L)8,Voutcm＝VREF42控制輸出共模電平的改進(jìn)電路M15、M9由于溝道調(diào)制效應(yīng)

,ID15ID9,Voutcm

VREF43為抑制溝道長(zhǎng)度效應(yīng)的CMFB減小M15、M9的溝道調(diào)制效應(yīng),使ID15＝ID9,Voutcm

=

VREF44阻性CMFB這里RF為不影響差模增益需要很大的值嗎?45一種實(shí)用的共模反饋技術(shù)46轉(zhuǎn)換速率SR（SlewRate）V047簡(jiǎn)單

運(yùn)放的小信號(hào)工作對(duì)于小的階躍響應(yīng)(M1、M2均未截至)，運(yùn)放表現(xiàn)出斜率正比與輸入階躍幅度的線性斜坡。48運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換對(duì)于大的階躍響應(yīng)，運(yùn)放表現(xiàn)出具有不變斜率的線性斜坡。49低到高變化時(shí)的轉(zhuǎn)換SR=V/S=I/C假定R1+R2很大50高到低變化時(shí)的轉(zhuǎn)換51套筒式運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換52折疊式運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換（1）若IPISS，轉(zhuǎn)換速率與IP無(wú)關(guān)53折疊式運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換（2）54由于轉(zhuǎn)換后過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)造成的長(zhǎng)穩(wěn)定過(guò)程若ISS

IP，VX會(huì)降到一個(gè)低值，M1和ISS會(huì)進(jìn)入線性，電路要重新穩(wěn)定，必須要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的擺幅，因此會(huì)減慢運(yùn)放的穩(wěn)定過(guò)程。55限制X點(diǎn)和Y點(diǎn)擺幅的箝位電路|VX