第九章

模擬運算放大器1模擬運算放大器的一些重要參數低頻差模增益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轉換速率SR共模抑制比CMRR電源抑制比PSRR運算放大器(簡稱運放)是許多模擬系統和模數混合信號系統中的一個完整部分。大量的具有不同復雜程度的運放被用來實現各種功能：從直流偏置的產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管溝道長度的減小，為運放的設計不斷提出復雜的課題。如低電壓工作中的全擺幅運放(RailtoRailAmp)、多極運放的設計等等。理解和學好運放知識是為今后更好從事模擬電路設計的基礎，也是對前面所學知識的一種運用與實踐。2運放的性能參數（1）差模開環增益Ad：運放工作于線性區時，其輸出電壓與差模輸入電壓之比，常用分貝dB表示。開環帶寬BW（小信號帶寬）：開環增益下降3dB（或直流增益的0.707倍）時所對應的信號頻率。也稱f3dB帶寬。全功率帶寬BWP（大信號帶寬）：運放跟隨器連接時，當輸入正弦大信號后，在額定負載、一定的失真條件下，運放輸出電壓幅度達到最大時所對應信號頻率。3運放的性能參數（3）輸出峰-峰電壓Vopp(輸出擺幅)

：指在特定負載條件下,運放能輸出的最大電壓幅度,即輸出擺幅。線性：運放開環有很大的非線性，全差動運放可以減小非線性，負反饋也可以減小非線性，開環增益越大，負反饋后帶來的非線性就越小。等效輸入噪聲電壓：屏蔽良好、無信號輸入的集成運放，在其輸出端產生的任何交流無規則的干擾電壓。普通運放該值約為10～20uV4運放的性能參數（2）輸入失調電壓Vos：在運放零輸入時為使輸出為零需在輸入端所加的直流電壓。通常以BJT作為差分輸入級的運放Vos較小，約幾毫伏，MOSFET輸入級的運放（常規結構）Vos相對較大。電源電壓抑制比PSRR：運放工作于線性區時，輸入失調電壓隨電源電壓改變的變化率，即：5單級運算放大器第四章中的差分對就是單級運算放大器，圖(a)、(b)分別是單端和雙端輸出形式，從前面學過的知識可知，兩種結構的小信號增益相同，但因(a)比(b)多一個“鏡像”極點，故帶寬比對稱輸出結構要窄，由于(b)的靜態工作點不能“目測”，故還需共模反饋電路才能正常工作。6單級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)運放8“套筒式”運放跟隨器連接時的輸出擺幅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利用自舉電路擴展共模和輸出電壓范圍bp虛框內電路構成自舉電路：當VincMVP，因M9流過的電流恒定，故Vb＝VGS9+VR+VP，即Vb跟隨輸入共模電壓的升高而“自舉”提高，從而擴展了共模輸入電壓范圍，同時也擴展了該電路接成跟隨器時的輸出電壓范圍。注意，當電路不是接成跟隨器時，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管構成的共源共柵放大器P－NMOS管構成的共源共柵放大器兩種結構有何區別？11折疊式共源共柵放大器（2）同型PMOS管構成的共源共柵放大器N－PMOS管構成的共源共柵放大器兩種結構有何區別？12套筒式與折疊式共源共柵運放的區別套筒式運放的偏置電流同時供給輸入對管和共柵管，折疊式運放的輸入對管和共柵管需不同的偏置電流通常折疊式運放比套筒式運放要消耗更多的功耗。兩種結構的共模輸入電壓范圍有明顯區別，對于套筒式運放而言，VincMVb1-VGS3+VTN，對于折疊式而言，VincMVb1-VGS3+|VTP|，這時折疊式可直接接成跟隨器形式。13折疊式共源共柵運放（2）差模半電路14套筒式與折疊式運放差模增益的區別因NMOS的跨導比PMOS跨導大，且r01//r02<r01,故套筒式運放的增益比折疊式運放的增益大23倍。15套筒式與折疊式運放折疊點的區別套筒式折疊點電容Ctot包括CGS3、CSB3、CDB1和CGD1，折疊式中還要包括CDB5和CGD5，且添加的這兩個電容相當大，因為流過M5的電流本身就較大，為了減小過驅動電壓以增加輸出擺幅，其寬長比就更大，結果該折疊點產生的極點比套筒式運放更靠近原點，帶寬就比套筒式運放窄。16NMOS差分輸入對管的折疊式運放本電路因NMOS差分輸入對管的跨導比PMOS管大，故增益也比輸入對管為PMOS管時更大，但折疊點的寄生電容會更大(相同電流相同過驅動電壓下PMOS的寬長比更大)，帶寬會比輸入對管為PMOS管時更窄。17單端輸出套筒式運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放該結構雖然可獲得高增益，但擺幅受限嚴重，實踐中較少采用；同時節點增多，由此產生的極點也比兩層疊的共源共柵運放多，帶寬也要窄一些。19套筒式與折疊式運放的比較分析折疊式運放與套筒式運放相比，輸出擺幅相對較大(比套筒式運放少折疊一個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，折疊式運放比套筒式運放運用更為廣泛，因為它可以直接接成跟隨器形式(折疊式常用于單級運放，兩極運放中，第一級還是常用套筒式運放)，而套筒式運放不能接成跟隨器形式(僅用作跟隨器時，利用自舉技術可以解決這一問題)。不論那種結構，雙端輸出比單端輸出帶寬更寬(沒有“鏡像極點”)。20兩極運放單級放大器的增益一般最大可做到70dB左右(在L較小時這個值很難達到)，要獲得更高增益時需兩極或兩極以上(對于小L值、低電源電壓情況)放大才能得到，在兩極運放中，第一極通常用來獲得高增益，第二級用來獲得大輸出擺幅。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放穩定性要求，同時可以減小運放的等效失調電壓。21雙端輸出的兩極運放1.增益為多少？2.那一個節點是第一主極點？第二主極點呢？3.輸出擺幅＝？4.CMR如何？CommonModeRange22單端輸出的兩極運放與前面雙端輸出運放有那些區別(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放24單端輸出的兩極運放25利用負反饋提高小信號輸出電阻26增益提高運放的原理注意：M3、I1構成的輔助放大器減小了輸出電壓擺幅。沒有時V0min=Von2+Von1,V0min=Von2+VGS327增益提高運放的實現28差分增益提高運放（1）M5、M6、ISS2限制了輸出電壓擺幅。大約比以前減小了一個閾值電壓VTN。Vd3min=Von3+VGS5+VonIss229差分增益提高運放（2）V0min與輔助放大器無關!Vd3min=Von3+Von1+VonIss130各種不同運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放高高低中低增益提高運放高中中高中31共模反饋（CMFB

）的概念（1）靜態工作點可以“目測”的簡單差動對32共模反饋的概念（2）靜態工作點不能“目測”的簡單差動對33共模反饋的概念（3）高增益恒流源負載差分放大器的簡化模型34CMFB的原理結構圖35電阻檢測的CMFB缺點是R1、R2需很大(為什么？)，版圖面積、寄生電容和噪聲會很大。請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M7、M8不截至，I1、I2需較大值。V0min=VGS7+VonI1,大約增加了一個閾值電壓VTN。37測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利用深線性區工作的MOS管的CMFB假定M7、M8工作于深線性區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，會使CP寄生電容明顯增加。輸出共模電平是器件參數的函數41控制輸出共模電平的另一種方法M7、M8的電壓降不會影響輸出電壓擺幅，但會減小輸入共模電壓范圍。輸出共模電平依然是器件參數的函數。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電路M15、M9由于溝道調制效應

,ID15ID9,Voutcm

VREF43為抑制溝道長度效應的CMFB減小M15、M9的溝道調制效應,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?45一種實用的共模反饋技術46轉換速率SR（SlewRate）V047簡單

運放的小信號工作對于小的階躍響應(M1、M2均未截至)，運放表現出斜率正比與輸入階躍幅度的線性斜坡。48運放中的轉換對于大的階躍響應，運放表現出具有不變斜率的線性斜坡。49低到高變化時的轉換SR=V/S=I/C假定R1+R2很大50高到低變化時的轉換51套筒式運放中的轉換52折疊式運放中的轉換（1）若IPISS，轉換速率與IP無關53折疊式運放中的轉換（2）54由于轉換后過驅動恢復造成的長穩定過程若ISS

IP，VX會降到一個低值，M1和ISS會進入線性，電路要重新穩定，必須要經歷一個較長的擺幅，因此會減慢運放的穩定過程。55限制X點和Y點擺幅的箝位電路|VX