1、運算放大器運算放大器南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數1輸入特性參數輸入特性參數o輸入失調電壓輸入失調電壓VOSn當運算放大器輸出直流電壓當運算放大器輸出直流電壓Vo0時，在運算放時，在運算放大器的輸入端之間所加的直流補償電壓。大器的輸入端之間所加的直流補償電壓。VOS是是標志運算放大器對稱性的一個重要參數，它的標志運算放大器對稱性的一個重要參數，它的大小對于大小對于MOS輸入級在輸入級在1幾十幾十m

2、V左右。對左右。對于高精度、低漂移型運算放大器而言，于高精度、低漂移型運算放大器而言，VOS在在0.5mV以下，甚至為以下，甚至為uV數量級。數量級。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o輸入失調電流輸入失調電流IOSn當運算放大器的輸出直流電壓為零時，兩個輸入端當運算放大器的輸出直流電壓為零時，兩個輸入端所需的偏置電流的差值：所需的偏置電流的差值：IOSIBIB。一般。一般IOS為為IB的的520%。o輸入偏置電流輸入偏置電流IBn當運算放大器在補償了失調電壓，使其輸出電壓當運算放大器在補

3、償了失調電壓，使其輸出電壓Vo=0時，運放兩輸入端所需電流的平均值。即時，運放兩輸入端所需電流的平均值。即IB為同相端輸入電流與反相端輸入電流的絕對值為同相端輸入電流與反相端輸入電流的絕對值之和的一半。之和的一半。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o輸入失調電壓溫度系數輸入失調電壓溫度系數dVOS/dTn運算放大器在規定工作溫度范圍內，環境溫度每運算放大器在規定工作溫度范圍內，環境溫度每改變一度所引起的輸入失調電壓的變化量。由于改變一度所引起的輸入失調電壓的變化量。由于失調電壓并不是溫度的

4、線性函數，所以一般用下失調電壓并不是溫度的線性函數，所以一般用下式進行計算：式進行計算：n上式中上式中（VOS）max、（、（VOS）min分別為在分別為在T1T2范圍內失調電壓的最大值、最小值。范圍內失調電壓的最大值、最小值。12minmax)()(TTVVTVOSOSOS 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o輸入失調電流的溫度系數輸入失調電流的溫度系數dIOS/dTn運算放大器在規定工作溫度范圍內環境溫度運算放大器在規定工作溫度范圍內環境溫度每改變一度所引起的輸入失調電流的變化量。每改變

5、一度所引起的輸入失調電流的變化量。o差模輸入阻抗差模輸入阻抗Zidn運算放大器在線性區工作時，兩差模輸入電運算放大器在線性區工作時，兩差模輸入電壓變化壓變化vid與其對應的差分電流變化與其對應的差分電流變化iid之比，之比，即即Zid=vid/iid。在低頻工作時，。在低頻工作時，Zid可用電可用電阻阻Rid來表示，而在高頻工作時，則可用來表示，而在高頻工作時，則可用Rid與與Cid并聯表示。并聯表示。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o共模輸入阻抗共模輸入阻抗Zicn運算放大器在共模輸入

6、時運放輸入端對地呈運算放大器在共模輸入時運放輸入端對地呈現的阻抗。在低頻工作時可用現的阻抗。在低頻工作時可用Ric表示，定表示，定義為：義為： n一般情況下，對于一般情況下，對于MOS運算放大器而言，運算放大器而言，Ric與與Rid近似相等近似相等(而對于雙極型而言，而對于雙極型而言，Rid要比要比Ric小得多小得多)。0)(2 idVBBicicIIddVR 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicn使運算放大器的共模抑制比比規定共使運算放大器的共模抑制比

7、比規定共模電壓下的共模抑制比下降模電壓下的共模抑制比下降6dB時加時加在輸入端的共模輸入電壓。在輸入端的共模輸入電壓。o最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidn運算放大器兩輸入端所能承受的最大運算放大器兩輸入端所能承受的最大電壓。電壓。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o輸入噪聲電壓輸入噪聲電壓viN（或電流（或電流iiN）n除信號電壓（電流）之外，電路器件所產生除信號電壓（電流）之外，電路器件所產生的任何交流的干擾電壓（電流）的輸出都稱的任何交流的干擾電壓（電流）的輸出都稱為電路噪聲，該

8、噪聲折算到輸入端稱為輸入為電路噪聲，該噪聲折算到輸入端稱為輸入噪聲，在噪聲，在MOS運放中主要是運放中主要是1/f噪聲與熱噪噪聲與熱噪聲。運算放大器的輸入噪聲決定了運放所能聲。運算放大器的輸入噪聲決定了運放所能合理處理的最小信號電平，必須考慮噪聲與合理處理的最小信號電平，必須考慮噪聲與輸出擺幅間的折衷。輸出擺幅間的折衷。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o電源抑制電源抑制n反映運放對電源噪聲的抑制能力，一般反映運放對電源噪聲的抑制能力，一般全差分結構具有很好的電源抑制。它的全差分結構具有很

9、好的電源抑制。它的計算一般定義為：計算一般定義為：10/)()( oVDDioDDodVVVVAPSRR 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數2 轉移特性參數轉移特性參數o開環直流（低頻）電壓增益開環直流（低頻）電壓增益Avdn運算放大器工作在線性區時，輸出電壓變化運算放大器工作在線性區時，輸出電壓變化與差分輸入電壓變化的比值：與差分輸入電壓變化的比值： n一般用一般用dB表示，即定義為：表示，即定義為：20logAvd。0 icVidovddVdVA 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電

10、路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o共模抑制比共模抑制比CMRR 運算放大器差模電壓增益運算放大器差模電壓增益Avd與共模電壓增益與共模電壓增益Avc之比：之比： CMRR是標稱運算放大器的一個不對稱參數，且是標稱運算放大器的一個不對稱參數，且有：有： 另外，另外，CMRR也是頻率的函數，頻率上升則也是頻率的函數，頻率上升則CMRR下降，一般情況下下降，一般情況下CMRR均指低頻而言，高精度均指低頻而言，高精度的的CMRR可達可達100120dB。vcvdAACMRRlog20 CMRRAAdVdVvdvcicOS1 南南 通通

11、大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數3輸出特性：輸出特性：o最大輸出電流最大輸出電流IOm 運算放大器在最大輸出峰峰電壓運算放大器在最大輸出峰峰電壓VoPP下下所能提供的最大輸出電流。所能提供的最大輸出電流。o輸出短路電流輸出短路電流IoS 運算放大器在同相端輸入規定的直流電壓運算放大器在同相端輸入規定的直流電壓而使輸出達到最大值時，輸出端對地的短路電而使輸出達到最大值時，輸出端對地的短路電流。大小主要與輸出級的保護電路有關。流。大小主要與輸出級的保護電路有關。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路

12、設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o開環輸出阻抗開環輸出阻抗Zo 在開環狀態下，運算放大器工作于線性在開環狀態下，運算放大器工作于線性區時，運放的輸出電壓與對應的電流變化之區時，運放的輸出電壓與對應的電流變化之比。在低頻時，可用電阻比。在低頻時，可用電阻Ro來表示。來表示。o開環差分增益開環差分增益Aiv 運放的開環差分增益決定了應用運放作為運放的開環差分增益決定了應用運放作為反饋系統的精度。如前所述，根據應用其所需反饋系統的精度。如前所述，根據應用其所需增益可能有四個數量級的變化。增益可能有四個數量級的變化。 南南 通通 大大 學

13、學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o輸出壓擺輸出壓擺 指運算放大器的輸出電壓的最大范圍，大多指運算放大器的輸出電壓的最大范圍，大多數帶有運放的系統需很大的壓擺以適應寬范圍的數帶有運放的系統需很大的壓擺以適應寬范圍的信號幅度。由于輸出壓擺與其它性能指標之間存信號幅度。由于輸出壓擺與其它性能指標之間存在著相互權衡的關系，在現代運放設計中達到大在著相互權衡的關系，在現代運放設計中達到大擺幅是相當有挑戰性的。擺幅是相當有挑戰性的。o線性與諧波失真線性與諧波失真 開環運放具有相當大的非線性，在許多反饋開環運放具有相當大的

14、非線性，在許多反饋電路中，決定開環增益的因素是線性的要求而非電路中，決定開環增益的因素是線性的要求而非增益誤差。增益誤差。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數4頻率特性頻率特性o輸出電壓轉換速率輸出電壓轉換速率Sr 也稱為壓擺率，指運算放大器在閉環增益為也稱為壓擺率，指運算放大器在閉環增益為1時，時，在額定條件下，當輸入為大信號階躍脈沖時，輸出電在額定條件下，當輸入為大信號階躍脈沖時，輸出電壓的最大變化率。反映了運放對于任意輸入波形的大壓的最大變化率。反映了運放對于任意輸入波形的大信號瞬態特

15、性。一般運放的轉換速率為信號瞬態特性。一般運放的轉換速率為0.52V/us，高速運放可達高速運放可達10100V/us。o建立時間建立時間ts 當運放閉環增益為當運放閉環增益為1時，在額定負載下輸入階躍時，在額定負載下輸入階躍大信號，輸出電壓達到規定精度的所需要的時間。大信號，輸出電壓達到規定精度的所需要的時間。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o全功率帶寬全功率帶寬fp 運算放大器閉環增益為運算放大器閉環增益為1時，在額定負時，在額定負載下輸入正弦信號后，在規定失真下，輸出載下輸入正弦信

16、號后，在規定失真下，輸出電壓達到最大幅度電壓達到最大幅度Vop時的最高頻率。時的最高頻率。o3dB帶寬帶寬 指運放的開環電壓增益指運放的開環電壓增益Avd的半功率點的的半功率點的頻率，即運放的開環增益下降到低頻電壓增頻率，即運放的開環增益下降到低頻電壓增益的時所對應的頻率。這是運放小信號工作益的時所對應的頻率。這是運放小信號工作時的頻率特性。時的頻率特性。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述運算放大器的主要參數運算放大器的主要參數o單位增益帶寬單位增益帶寬fu 運放的開環增益下降到運放的開環增益下降到0dB（1倍）時所倍）時所對應

17、的頻率，即為運放小信號工作時的頻率特對應的頻率，即為運放小信號工作時的頻率特性。性。o大信號帶寬大信號帶寬 反映運算放大器的輸入為大信號時的頻率反映運算放大器的輸入為大信號時的頻率特性，運放的頻率特性中，小信號頻率特性和特性，運放的頻率特性中，小信號頻率特性和大信號頻率特性之間不存在對應關系，有些要大信號頻率特性之間不存在對應關系，有些要求小信號帶寬，但大信號特性很差，需根據運求小信號帶寬，但大信號特性很差，需根據運放在系統中的作用和要求來定。放在系統中的作用和要求來定。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述分析運算放大器的一般步驟

18、分析運算放大器的一般步驟o一般運算放大器有以下幾個部分構成：輸入級、增一般運算放大器有以下幾個部分構成：輸入級、增益級、輸出級等構成，下圖示了一般運放的主要構益級、輸出級等構成，下圖示了一般運放的主要構成及其各部分的主要作用。運算放大器又可分為單成及其各部分的主要作用。運算放大器又可分為單級運放、二級運放、多級運放等。級運放、二級運放、多級運放等。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室概述概述分析運算放大器的一般步驟分析運算放大器的一般步驟o分析運算放大器的一般步驟為：分析運算放大器的一般步驟為：n劃分并分析所有的偏置電路（即偏置電壓與偏置

19、電劃分并分析所有的偏置電路（即偏置電壓與偏置電流）；劃分并分析所有的保護電路，并可先忽略它們流）；劃分并分析所有的保護電路，并可先忽略它們的影響。的影響。n計算所有的工作電流與電壓。計算所有的工作電流與電壓。n根據輸入信號定義電路模塊：放大器、緩沖器、電平根據輸入信號定義電路模塊：放大器、緩沖器、電平移位電路以及輸出驅動電路等。移位電路以及輸出驅動電路等。n計算運算放大器的低頻增益。計算運算放大器的低頻增益。n分析其補償電路。分析其補償電路。n計算高頻響應。計算高頻響應。n采用采用SPICE進行仿真以得到其性能參數。進行仿真以得到其性能參數。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇

20、省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室單級運放單級運放 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室全差分單級運算放大器全差分單級運算放大器o全差分單級運算放大器是指其輸入與輸出都采用了差分方式，全差分單級運算放大器是指其輸入與輸出都采用了差分方式，這里主要介紹基本差分放大器、伸縮式級聯放大器以及折疊這里主要介紹基本差分放大器、伸縮式級聯放大器以及折疊式級聯放大器。式級聯放大器。1基本的全差分單級運算放大器基本的全差分單級運算放大器o單級全差分運算放大器的基本單級全差分運算放大器的基本電路如右圖所示。電路如右圖所示。o圖中圖中M1、M2、M3、M

21、4及電流及電流 源源IS構成了一個差分放大器，構成了一個差分放大器， 而而M5及電流源及電流源IR則為差分放大則為差分放大 器的負載管器的負載管M3、M4提供偏置。提供偏置。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室全差分單級運算放大器全差分單級運算放大器o該運放的開環差分增益為：該運放的開環差分增益為： 式中式中gm1,3是指是指M1或或M3的跨導，的跨導，ro1,2、ro3,4分別為分別為M1或或M2的輸出電阻、的輸出電阻、M3或或M4的輸出電阻。的輸出電阻。o開環共模增益為：開環共模增益為： 式中式中1,2gmb1,2/gm1,2。o共模

22、抑制比：共模抑制比：)(4,32, 12, 1oomdrrgA oocrrA)1(22, 14,3 oooomrrrrgCMRR)1(2)(2, 14,34,32, 12, 1 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室伸縮式共源共柵運算放大器伸縮式共源共柵運算放大器 o伸縮式共源共柵運算放伸縮式共源共柵運算放大器的結構如第五章中大器的結構如第五章中介紹的伸縮式共源共柵介紹的伸縮式共源共柵放大級基本一致。放大級基本一致。o這種運算放大器的一個這種運算放大器的一個明顯缺點是很難以輸入明顯缺點是很難以輸入輸出短接方式實現單位輸出短接方式實現單位增益緩

23、沖器。增益緩沖器。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器 o在上圖中，如果輸入管采用相反極性的在上圖中，如果輸入管采用相反極性的MOS管來構成級聯運算放大器，稱之為折管來構成級聯運算放大器，稱之為折疊運算放大器，如下圖所示。疊運算放大器，如下圖所示。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器o上圖所示的折疊式運算放大器電路，必須保證所有上圖所示的折疊式運算放大器電路，必須保證所有MOS管都工作于飽和區以確保高增益

24、。管都工作于飽和區以確保高增益。o開環最低輸出電壓為：開環最低輸出電壓為：Vo,min=Vdsat3+Vdsat5；o最高輸出電壓為最高輸出電壓為Vo,max= VDD(|Vdsat7|Vdsat9|)；o即開環輸出電壓擺幅為：即開環輸出電壓擺幅為：VDD(Vdsat3Vdsat5|Vdsat7|Vdsat9|)。o其開環輸入壓擺比伸縮式級聯運算放大器要大得多，其開環輸入壓擺比伸縮式級聯運算放大器要大得多，其最小輸入電壓可為其最小輸入電壓可為0V。o缺點：保證較小寄生電容時，要求缺點：保證較小寄生電容時，要求M5與與M6的過驅的過驅動電壓增大以提供大電流。動電壓增大以提供大電流。 南南 通通

25、大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器o伸縮式級聯運算放大器與折疊式級聯放大器伸縮式級聯運算放大器與折疊式級聯放大器存在兩個重要差別：存在兩個重要差別：n在伸縮式級聯運放中一個偏置電流在伸縮式級聯運放中一個偏置電流IS供給輸入供給輸入三極管及級聯器件，而折疊式級聯運放中輸入三極管及級聯器件，而折疊式級聯運放中輸入對管需要一個額外偏置電流，且有對管需要一個額外偏置電流，且有 IS1IS/2ID3，因此折疊級聯結構一般有較高功耗。，因此折疊級聯結構一般有較高功耗。n在伸縮式級聯運放中，其輸入共模電平不能大在伸縮式級聯運

26、放中，其輸入共模電平不能大于于Vb1VGS3Vth1，而在折疊式級聯運放中，而在折疊式級聯運放中，不能小于不能小于Vb1VGS3|VthP|，因此后一種電，因此后一種電路可以設計成單位緩沖器，并可忽略擺幅的影路可以設計成單位緩沖器，并可忽略擺幅的影響。響。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器o采用半電路概念來求解折疊級聯運放的小信采用半電路概念來求解折疊級聯運放的小信號電壓增益，如下圖所示電路，其增益可寫號電壓增益，如下圖所示電路，其增益可寫成：。成：。omvRGA 南南 通通 大大 學學 江蘇省專

27、用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器oGm的求解的求解n由于從由于從M3的源極看進去的阻抗的源極看進去的阻抗(gm3+gmb3)-1|ro3低于低于ro1|ro5，因此半邊電路的輸出短，因此半邊電路的輸出短路電流近似等于路電流近似等于M1的漏電流，根據求解的漏電流，根據求解Gm的的方法，可以知道方法，可以知道Gmgm1。oRo的求解的求解n為了計算為了計算Ro，根據求等效電阻的方法，采用如，根據求等效電阻的方法，采用如圖所示的等效電路，則有：圖所示的等效電路，則有：n即有：即有：9797)(oommoPrrggR )()(51333

28、ooombmoPorrrggRR 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器o小信號電壓增益小信號電壓增益n根據求解電壓增益的方法，即可求出電路的小信號電壓根據求解電壓增益的方法，即可求出電路的小信號電壓增益為：增益為：o對于相類似的器件尺寸與偏置電流，對于相類似的器件尺寸與偏置電流，PMOS輸入輸入差分對與差分對與NMOS差分對相比具有較小的跨導。并差分對相比具有較小的跨導。并且，且，ro1與與ro5并聯，特別是由于并聯，特別是由于M5流過輸入器件流過輸入器件及級聯支路的電流，減小了輸出阻抗，故折疊式及級

29、聯支路的電流，減小了輸出阻抗，故折疊式級聯運算放大器的增益常比一個類似的伸縮式級級聯運算放大器的增益常比一個類似的伸縮式級聯的增益小聯的增益小2至至3倍。倍。 )()()(9777513331oombmooombmmvrrggrrrgggA 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器o用用NMOS管作為折疊級聯運放的輸入對管，管作為折疊級聯運放的輸入對管，如圖所示。如圖所示。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室折疊式級聯運算放大器折疊式級聯運算放大器o

30、由于由于NMOS器件具有較大的遷移率，所以該電路的電壓器件具有較大的遷移率，所以該電路的電壓增益較大，但這是以降低在折疊點的極點為代價。實際增益較大，但這是以降低在折疊點的極點為代價。實際上，對于類似的偏置電流，后一張圖中的上，對于類似的偏置電流，后一張圖中的M5-M6可能比可能比前一張圖中的寬度大幾倍。前一張圖中的寬度大幾倍。o折疊級聯運放的總的壓擺略高于伸縮式結構。這個優點折疊級聯運放的總的壓擺略高于伸縮式結構。這個優點是以高功耗、小電壓增益、低極點頻率等為代價的。但是以高功耗、小電壓增益、低極點頻率等為代價的。但是由于折疊級聯運放的輸入與輸出可以短接且輸入共模是由于折疊級聯運放的輸入與輸

31、出可以短接且輸入共模電平易于選擇，所以應用非常廣。電平易于選擇，所以應用非常廣。o折疊級聯運放的一個重要特性是控制輸入共模電平接近折疊級聯運放的一個重要特性是控制輸入共模電平接近電源供給的一端電壓：用電源供給的一端電壓：用NMOS輸入對時可使輸入共模輸入對時可使輸入共模電平為電平為VDD，而使用，而使用PMOS輸入對的相似結構可使輸入輸入對的相似結構可使輸入共模電平為零。共模電平為零。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室單端輸出運算放大器單端輸出運算放大器 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重

32、點實驗室簡單的運算放大器簡單的運算放大器-CMOS差分放大器差分放大器 o開環輸出電阻為：開環輸出電阻為：o式中式中roN與與roP分別為分別為NMOS管漏源之間的電阻。管漏源之間的電阻。oPoNorrr 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室簡單的運算放大器簡單的運算放大器-CMOS差分放大器差分放大器o開環電壓增益為：開環電壓增益為： o上式中上式中gmN為輸入差分對管為輸入差分對管NMOS的跨導，的跨導，接成閉環應用時，其反饋系數為接成閉環應用時，其反饋系數為1，因此，因此根據負反饋特性可以求出閉環輸出電阻為：根據負反饋特性可以求出閉環

33、輸出電阻為：o由于由于ro較大，故其閉環輸出電阻近似為較大，故其閉環輸出電阻近似為1/gmN，與開環輸出電阻無關。，與開環輸出電阻無關。)(oPNomNvdrrgA )(11oPoNmNoPoNvvdoocrrgrrFArr 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室簡單的運算放大器簡單的運算放大器-CMOS差分放大器差分放大器o該電路的輸出壓擺為：該電路的輸出壓擺為：VDD o上式中的上式中的VdsatN與與VdsatP分別指分別指NMOS與與PMOS的飽和漏極電壓。的飽和漏極電壓。o電路主極點位于輸出節點，且其時間常數為：電路主極點位于輸出節

34、點，且其時間常數為：roCL。o其特點是：開環電壓增益可達到其特點是：開環電壓增益可達到100左右，左右，而功耗為而功耗為mW級，單位增益頻率約為兆赫量級，單位增益頻率約為兆赫量級；且電路驅動負載能力較小。級；且電路驅動負載能力較小。 dsatPDDodsatNQVVVVV 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共源共柵電流源為負載的伸縮式級聯結構運算放大器共源共柵電流源為負載的伸縮式級聯結構運算放大器 o如圖所示，與全差分伸縮式級聯放大器不同如圖所示，與全差分伸縮式級聯放大器不同之處是其負載為共源共柵電流鏡結構。之處是其負載為共源共柵電流鏡

35、結構。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共源共柵電流源為負載的伸縮式級聯結構運算放大器共源共柵電流源為負載的伸縮式級聯結構運算放大器o該電路的開環輸出電阻：該電路的開環輸出電阻：o開環電壓增益：開環電壓增益： o閉環輸出電阻為：閉環輸出電阻為：roc=1/gmNo開環的輸出壓擺：開環的輸出壓擺：22oPmPoNmNorgrgr )(22oPmPoNmNmNdrgrggA 8642dsatdsatDDodsatdsatQVVVVVVV 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共源共柵電流源

36、為負載的伸縮式級聯結構運算放大器共源共柵電流源為負載的伸縮式級聯結構運算放大器o閉環輸出壓擺：把輸入信號端閉環輸出壓擺：把輸入信號端M2的柵極與輸出節點相的柵極與輸出節點相連構成單位增益反饋應用時，在正常工作時，要保證所連構成單位增益反饋應用時，在正常工作時，要保證所有有MOS管工作于飽和態。管工作于飽和態。nM4飽和的條件是：飽和的條件是：VoVb1Vth4nM2飽和的條件是：飽和的條件是：VoVth2VX，即，即VoVth2VXVb1VGS4Vth2，所以有：，所以有：n故輸出電壓擺幅為故輸出電壓擺幅為Vth2(VGS4+Vth4)，小于，小于M2的的閾值電壓，因此用作緩沖器時其輸出壓擺太

37、小，所閾值電壓，因此用作緩沖器時其輸出壓擺太小，所以不實用。以不實用。o另外，這種電路的輸出擺幅為全差分相應電路的輸出擺另外，這種電路的輸出擺幅為全差分相應電路的輸出擺幅的一半，并且該電路的反饋系統的速度較低。幅的一半，并且該電路的反饋系統的速度較低。24141thGSbothbVVVVVV 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室高擺幅的伸縮式級聯結構運算放大器高擺幅的伸縮式級聯結構運算放大器 o為了克服上述結構輸出擺幅小的缺點，對此為了克服上述結構輸出擺幅小的缺點，對此結構進行了改進，如圖所示。結構進行了改進，如圖所示。 南南 通通 大大

38、學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室高擺幅的伸縮式級聯結構運算放大器高擺幅的伸縮式級聯結構運算放大器o上圖所示的電路結構的一個最大特點就是其上圖所示的電路結構的一個最大特點就是其輸出擺幅較大，因此稱為高擺幅的伸縮式級輸出擺幅較大，因此稱為高擺幅的伸縮式級聯結構運算放大器。聯結構運算放大器。o這是由于其利用高擺幅的電流鏡作為負載以這是由于其利用高擺幅的電流鏡作為負載以提高放大器的開環電壓擺幅。提高放大器的開環電壓擺幅。o在這種結構中，在這種結構中，M7與與M8被偏置在線性區的被偏置在線性區的邊緣。這種結構與前一種結構一樣，不適用邊緣。這種結構與前一種結構一樣，

39、不適用于單位增益緩沖器。于單位增益緩沖器。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室高擺幅折疊式級聯運算放大器高擺幅折疊式級聯運算放大器 o如圖所示的折疊式級聯運放可以克服伸縮式級如圖所示的折疊式級聯運放可以克服伸縮式級聯運放較小的輸出擺幅和難以用作單位緩沖電聯運放較小的輸出擺幅和難以用作單位緩沖電路的缺點。（并仍將輸入電壓轉變成電流）路的缺點。（并仍將輸入電壓轉變成電流） 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室高擺幅折疊式級聯運算放大器高擺幅折疊式級聯運算放大器o該電路的開環輸出電壓的最小值

40、為：該電路的開環輸出電壓的最小值為：VSVdsat4，最大值則為，最大值則為VDD（|Vdsat6|Vdsat8|)，所以開環輸出兩峰值之間的擺，所以開環輸出兩峰值之間的擺幅為：幅為：o上式的值比伸縮式級聯運放的輸出擺幅大了上式的值比伸縮式級聯運放的輸出擺幅大了一個電流源的過驅動電壓。一個電流源的過驅動電壓。o該電路的小信號電壓增益也可采半電路概念該電路的小信號電壓增益也可采半電路概念來求解，并可表示為來求解，并可表示為Av=GmRo，同理必須，同理必須先求出等效跨導與等效輸出阻抗。先求出等效跨導與等效輸出阻抗。)(864dsatdsatDDodsatSVVVVVV 南南 通通 大大 學學 江

41、蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模反饋共模反饋 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室引言引言o全差分運算放大器具有大輸出擺幅、無鏡像極點等全差分運算放大器具有大輸出擺幅、無鏡像極點等優點，因此可以得到高的閉環速度。優點，因此可以得到高的閉環速度。o但其共模電平必須小心定義以使之能正常工作。一但其共模電平必須小心定義以使之能正常工作。一般都采用所謂的般都采用所謂的“共模反饋共模反饋”(CMFB)的方法。的方法。o在高增益放大器中，其輸出共模電平對器件特性與在高增益放大器中，其輸出共模電平對器件特性與失配非常敏

42、感，不能通過失配非常敏感，不能通過“目測目測”確定，而且不能確定，而且不能通過差分反饋來達到穩定。通過差分反饋來達到穩定。o因此，必須采用一共模反饋網絡來檢測輸出端的共因此，必須采用一共模反饋網絡來檢測輸出端的共模電平，有效調節放大器的偏置電流。模電平，有效調節放大器的偏置電流。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室引言引言o引入共模反饋的兩個目的：引入共模反饋的兩個目的：n為輸出節點提供一個穩定的共模電平。為輸出節點提供一個穩定的共模電平。n減小共模增益，以提高共模抑制比。減小共模增益，以提高共模抑制比。o共模反饋設計時應考慮：共模反饋設

43、計時應考慮：n只為共模信號創建一個負反饋回路，而對于差只為共模信號創建一個負反饋回路，而對于差分信號，即共模反饋不能影響電路的性能。分信號，即共模反饋不能影響電路的性能。n盡量減小共模反饋電路的功耗與面積。盡量減小共模反饋電路的功耗與面積。n在單端輸出的運放中，不需要在單端輸出的運放中，不需要CMFB，但可以，但可以利用利用CMFB來提高共模抑制比；而在全差分運來提高共模抑制比；而在全差分運放中則必須有放中則必須有CMFB。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室引言引言oCMFB主要有二部分組成：主要有二部分組成：n共模電平檢測電路；共模電

44、平檢測電路；n參考電源比較電路。參考電源比較電路。o工作機理是：工作機理是：n檢測出共模信號：。檢測出共模信號：。n與一個參考電壓進行比較：。與一個參考電壓進行比較：。n將其誤差校正電平回送到放大器的偏置電路。將其誤差校正電平回送到放大器的偏置電路。n避免共模信號注入到不需校正避免共模信號注入到不需校正VoC的放大器的節的放大器的節點。點。221oooCVVV RoCVV 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室引言引言o如果檢測的輸出信號是電流信號，則共模反如果檢測的輸出信號是電流信號，則共模反饋結構如下圖所示，即必須采用一個電流模饋結構如下

45、圖所示，即必須采用一個電流模式的電平檢測電路，以及共模檢測電流放大式的電平檢測電路，以及共模檢測電流放大器（比較器）。器（比較器）。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法電阻分壓法電阻分壓法o在上圖所示結構中，輸出共模電平在上圖所示結構中，輸出共模電平VoC為為( Vo1+ Vo2)/2，因此最直接的方法因此最直接的方法是采用如右圖所示是采用如右圖所示的電阻分壓器。的電阻分壓器。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法

46、電阻分壓法電阻分壓法o根據根據KCL定理有：定理有：o當當R1R2時，有：時，有：o這種方法的缺點是：這種方法的缺點是：nR1與與R2阻值必須比運放的輸出阻抗大得多，否則會阻值必須比運放的輸出阻抗大得多，否則會使運放的開環增益下降。使運放的開環增益下降。n在在CMOS工藝中工藝中R1與與R2阻值可以做得很大，但寄阻值可以做得很大，但寄生電容會很大，影響運放的頻率特性，另外大的阻生電容會很大，影響運放的頻率特性，另外大的阻值會占用非常大的芯片面積。值會占用非常大的芯片面積。2211RVVRVVoCoooC 221oooCVVV 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計

47、 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法改進型電阻分壓法改進型電阻分壓法 o為了消除電阻對運放的影響，對電阻分壓法為了消除電阻對運放的影響，對電阻分壓法中的每一輸出與相應的電阻之間內插源極跟中的每一輸出與相應的電阻之間內插源極跟隨器，形成了如圖所示的改進型電路。隨器，形成了如圖所示的改進型電路。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法改進型電阻分壓法改進型電阻分壓法o該電路檢測到的共模電平比運放的實際共模電平低該電路檢測到的共模電平比運放的實際共模電平低VGS1,2，但是這個差值可在其后的

48、比較器中消除。，但是這個差值可在其后的比較器中消除。o這種電路的缺點：這種電路的缺點：n當輸出端為一個大的差分擺幅時，如當輸出端為一個大的差分擺幅時，如Vo1遠高于遠高于Vo2，則，則電流源電流源I2必定流入二組電流必定流入二組電流(Vo1Vo2)/(R1R2)與與ID2，所以，所以R1R2要足夠大或要足夠大或I2必須足夠大以確保必須足夠大以確保M7或或M8工作于飽和區，否則工作于飽和區，否則ID2減小至減小至0，則，則VoC已不是共模已不是共模電平。因此，電平。因此，R1與與R2或或I1與與I2必須足夠大。必須足夠大。n限制了差分輸出擺幅。在無限制了差分輸出擺幅。在無CMFB時，時，Vo1(

49、Vo2)的最小的最小允許電平為允許電平為VoD3VoD5；有；有CMFB時則為時則為VGS1VS，幾乎比前者大一個閾值電壓，因此每一輸出端的擺幅幾幾乎比前者大一個閾值電壓，因此每一輸出端的擺幅幾乎減小乎減小Vth，在低電壓設計中是一個必須避免的缺點。，在低電壓設計中是一個必須避免的缺點。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法-開關電容開關電容o開關電容共模負反饋可以保證電路的差分電開關電容共模負反饋可以保證電路的差分電壓增益與較大的線性范圍；其輸出通過電容壓增益與較大的線性范圍；其輸出通過電容而不是電阻檢

50、測。而不是電阻檢測。 如圖所示。如圖所示。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法-開關電容開關電容o圖中圖中Cc1和和Cc2為檢測輸出共模電壓的電容，若為檢測輸出共模電壓的電容，若Cc1=Cc2，則有：，則有：o即即Cc1和和Cc2實現了對輸出共模電壓變化的感應，實現了對輸出共模電壓變化的感應，如果如果Vo1和和 Vo2升高，則升高，則VX隨之升高，隨之升高，M5的漏的漏源電流增加，源電流增加，M3，4管的電流也將增加，由于管的電流也將增加，由于，而，而不變，則須增加不變，則須增加VSD3,4適應電適應電

51、流的變化，則降低；流的變化，則降低；反之，反之，VCM將升高，因而實現了將升高，因而實現了VCM的調節。的調節。)1(|)|(|4, 324, 34, 3SDTHPGSpDVVVKI BDDGSVVV |4,34,321SDddooCMVVVVV 2210ooXXVVVV 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法-開關電容開關電容o電容電容Cc1和和Cc2的初始電壓的確定方法較多，一種簡單的初始電壓的確定方法較多，一種簡單的做法是每隔一段時間對電容進行充電，充電常數由的做法是每隔一段時間對電容進行充電，充電常

52、數由RC決定，而電阻可由開關電容取代（其電阻為決定，而電阻可由開關電容取代（其電阻為T/C），），這就構成開關電容共模負反饋，如圖所示。這就構成開關電容共模負反饋，如圖所示。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法-開關電容開關電容o上圖中上圖中Vo1和和Vo2分別為運放輸出電壓，分別為運放輸出電壓，VR為供比較的參考電壓常等于需穩定的輸出共為供比較的參考電壓常等于需穩定的輸出共模電壓，模電壓，Vb為偏置電路產生的電容初始電為偏置電路產生的電容初始電壓，壓，Vctr為此為此CMFB產生的調節電壓，和為產生的

53、調節電壓，和為兩相非交疊時鐘，兩相非交疊時鐘，Cc1和和Cc2為感應輸出電壓為感應輸出電壓電容，電容，Cs1和和Cs2為用作電阻的開關電容，設為用作電阻的開關電容，設Cs1=Cs2及及Cc1=Cc2，則可用電荷重分配原，則可用電荷重分配原理進行分析可得到：理進行分析可得到：bRooctrVVVVV )2(21 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法-開關電容開關電容o由上式可以看出：控制調節電壓由上式可以看出：控制調節電壓Vctr的表達式包括的表達式包括了三部分：了三部分：n對輸出共模電壓的檢測，即：。對輸

54、出共模電壓的檢測，即：。n與所給的參考電壓的比較，即：。與所給的參考電壓的比較，即：。n與初始電壓與初始電壓Vb疊加。疊加。o因此該開關電容因此該開關電容CMFB完成了共模負反饋的全部功完成了共模負反饋的全部功能。能。o這種電容結構的優點在于實現起來十分簡單這種電容結構的優點在于實現起來十分簡單(不需不需要另外的比較器要另外的比較器)，占用較小的芯片面積，具有很，占用較小的芯片面積，具有很好的穩定性能，并且動態開關電容不消耗額外的功好的穩定性能，并且動態開關電容不消耗額外的功率。缺點主要是需要兩相非交疊時鐘。率。缺點主要是需要兩相非交疊時鐘。 221ooVV RooVVV 221 南南 通通

55、大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法可變電阻法可變電阻法o利用工作在深三極管區利用工作在深三極管區MOS管的壓控電阻管的壓控電阻特性構成共模負反饋電路，如圖所示。特性構成共模負反饋電路，如圖所示。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法可變電阻法可變電阻法o在上圖中，相同的三極管在上圖中，相同的三極管M1與與M2工作在深工作在深三極管區，由于在深三極管區的三極管區，由于在深三極管區的MOS的電的電阻可表示為：阻可表示為： o所以，

56、在節點所以，在節點A與地之間的總電阻為：與地之間的總電阻為： )(1thGSoxnonVVLWCR )2(1 )(1112-12112121thoooxnthothooxnononononVVVLWCVVVVLWCRRRRR 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室共模電平的檢測方法共模電平的檢測方法可變電阻法可變電阻法o上式表明總電阻上式表明總電阻R是是Vo2Vo1的函數但與差模輸出的函數但與差模輸出Vo2Vo1無關。若兩輸出電壓同時上升，則無關。若兩輸出電壓同時上升，則R下降，下降，而若輸出發生不同變化，則一個管子的而若輸出發生不同變化，則

57、一個管子的Ron上升而上升而另一個管子的另一個管子的Ron下降。因此從節點下降。因此從節點A到地的電阻到地的電阻值反映了共模電平的變化。值反映了共模電平的變化。o這種結構的缺點為：這種結構的缺點為：n工作在深線性區的工作在深線性區的M1與與M2的使用限制了輸出壓擺。表的使用限制了輸出壓擺。表面看其輸出的最小電壓為面看其輸出的最小電壓為Vth7,8，但實際上在此時，但實際上在此時M1與與M2中至少有一個進入飽和區而使上式不成立，因而最小中至少有一個進入飽和區而使上式不成立，因而最小輸出共模電平應比該閾值電壓高。輸出共模電平應比該閾值電壓高。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專

58、用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室誤差比較技術誤差比較技術比較放大器控制級聯級電流源比較放大器控制級聯級電流源 o如圖所示如圖所示 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室誤差比較技術比較放大器控制級聯級電流源誤差比較技術比較放大器控制級聯級電流源o如上圖所示電路是一種用一個簡單的比較放大器對如上圖所示電路是一種用一個簡單的比較放大器對共模輸出電平共模輸出電平VoC與參考電壓值與參考電壓值VR進行比較，并把進行比較，并把比較的結果以反饋形式返回到比較的結果以反饋形式返回到NMOS電流源。電流源。o如果如果Vo1與與Vo2都上升，則都上升，則V

59、E也上升，則也上升，則M3-M4的的漏極電流增大，從而降低了輸出共模電平。也就是漏極電流增大，從而降低了輸出共模電平。也就是說若其開環增益高，其反饋網絡將迫使說若其開環增益高，其反饋網絡將迫使Vo1與與Vo2的共模電平接近的共模電平接近VR。o為保證系統具有較好的穩定性，反饋只可控制一小為保證系統具有較好的穩定性，反饋只可控制一小部分電流。例如部分電流。例如M3、M4的每一個三極管以兩個并的每一個三極管以兩個并聯器件構成，其中一個偏置在恒流源而另一個被一聯器件構成，其中一個偏置在恒流源而另一個被一誤差放大器驅動。誤差放大器驅動。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路

60、設計 重點實驗室重點實驗室比較放大器控制輸入差分對的尾電流比較放大器控制輸入差分對的尾電流 o對于折疊級聯運放，其共模電平與比較電平對于折疊級聯運放，其共模電平與比較電平比較的結果用以控制其輸入差分對的尾部電比較的結果用以控制其輸入差分對的尾部電流。如圖所示，若流。如圖所示，若Vo1與與Vo2上升，則尾電上升，則尾電流增大，從而減小了流增大，從而減小了M5-M6的漏極電流，的漏極電流，進而恢復其共模輸出電平。進而恢復其共模輸出電平。 南南 通通 大大 學學 江蘇省專用集成電路設計江蘇省專用集成電路設計 重點實驗室重點實驗室比較方法比較方法 -采用線性器件的采用線性器件的CMFBo在以上的分析中