6兩級CMOS運算放大器設(shè)計(課件7)

1、1兩級兩級CMOS運算放大器設(shè)計運算放大器設(shè)計 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院劉簾曦劉簾曦西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)2兩級兩級CMOS運算放大器設(shè)計運算放大器設(shè)計一、運放的概念、組成與電路結(jié)構(gòu)二、兩級運放的頻率補償三、兩級運放的設(shè)計方法四、兩級運放的仿真和測試五、兩級運放的版圖設(shè)計西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)3一、運放的概念、組成與電路結(jié)構(gòu)一、運放的概念、組成與電路結(jié)構(gòu)西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)l運算放大器（簡稱運放）是模擬電路和混合信號電路中最主要的電路運算放大器（簡稱運放）是模擬電路和混合信號電路中最主要的電路模塊之一。將運算放大器配以各種輔助電路，則

2、可以實現(xiàn)對輸入信號模塊之一。將運算放大器配以各種輔助電路，則可以實現(xiàn)對輸入信號的放大、微分、積分、求積、對數(shù)等運算功能的放大、微分、積分、求積、對數(shù)等運算功能；l理論上說，運放的差模電壓增益為無限大，輸入電阻也是無限大，輸理論上說，運放的差模電壓增益為無限大，輸入電阻也是無限大，輸出電阻為零，但實際的運放的性能只能接近這些值出電阻為零，但實際的運放的性能只能接近這些值 ；l運放作為一種有運放作為一種有足夠正向增益足夠正向增益的放大器，當(dāng)加上負反饋時，其閉環(huán)轉(zhuǎn)的放大器，當(dāng)加上負反饋時，其閉環(huán)轉(zhuǎn)移函數(shù)與運放增益無關(guān)移函數(shù)與運放增益無關(guān) ；4兩級兩級CMOS運算放大器的提出運算放大器的提出西安電子科

3、技大學(xué)西安電子科技大學(xué) l差分放大器可以稱為一級運算放大器，其電路的增益由輸入對管的跨差分放大器可以稱為一級運算放大器，其電路的增益由輸入對管的跨導(dǎo)與輸出電阻的乘積來決定，因而一般都無法達到高的增益導(dǎo)與輸出電阻的乘積來決定，因而一般都無法達到高的增益 ；l共源共柵結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提高了電路增益，但是卻限制了電路共源共柵結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上提高了電路增益，但是卻限制了電路的輸出擺幅的輸出擺幅 ；5CMOS兩級運算放大器的基本特性（性能指標(biāo)）兩級運算放大器的基本特性（性能指標(biāo)）l直流開環(huán)增益（DC Open-Loop Gain） 70dBl單位增益帶寬（Unit-Gain Bandwidth）

4、 5MHzl相位裕度（Phase Margin） 45 PM 75l失調(diào)電壓（Offset Voltage） VOS20mVl建立時間（Setting Time） TSET60dBl共模抑制比（CMRR） 60dBl輸出電壓擺幅（Output Voltage Swing） 1.5Vl芯片面積（Silicon Area）西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)6CMOS運算放大器的基本分類運算放大器的基本分類西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)l兩級兩級CMOS運算放大器運算放大器l套筒式共源共柵套筒式共源共柵CMOS運算放大器（單級）運算放大器（單級）l折疊共源共柵折疊共源共柵CMOS運算放大器（單級）運

5、算放大器（單級）lRail-to-Rail CMOS運算放大器運算放大器lChopper CMOS運算放大器運算放大器7兩級兩級CMOS運算放大器的基本結(jié)構(gòu)運算放大器的基本結(jié)構(gòu)西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) lM1和和M2的寬長比相等，的寬長比相等，M3和和M4的寬長比相等的寬長比相等; l兩級運放的電路具有兩個高阻節(jié)點兩級運放的電路具有兩個高阻節(jié)點A和和B，這就是說電路存在兩個主極，這就是說電路存在兩個主極點，因而降低了運放的相位裕度點，因而降低了運放的相位裕度;l為了使運放穩(wěn)定工作，通常在兩級運放的第一級和第二級之間中加入為了使運放穩(wěn)定工作，通常在兩級運放的第一級和第二級之間中加入補償電

6、容，即在補償電容，即在A點和點和B點之間加入補償電容點之間加入補償電容Cc（Miller電容），通過電容），通過補償電容的反饋作用，把兩個極點拉開。補償電容的反饋作用，把兩個極點拉開。 （a） 無補償運放無補償運放 （b）有補償運放）有補償運放8二、兩級運放的頻率補償二、兩級運放的頻率補償西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)l運放一般用在負反饋結(jié)構(gòu)中，在此結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)高而又不確定的開環(huán)增益和運放一般用在負反饋結(jié)構(gòu)中，在此結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)高而又不確定的開環(huán)增益和反饋一起作用，可以獲得一個很準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)移函數(shù)，它是含有反饋元件的函數(shù)反饋一起作用，可以獲得一個很準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)移函數(shù)，它是含有反饋元件的函數(shù) l下圖表示

7、了一種通用的負反饋結(jié)構(gòu)，圖中下圖表示了一種通用的負反饋結(jié)構(gòu)，圖中A是放大器增益，通常是運放的開環(huán)是放大器增益，通常是運放的開環(huán)差分電壓增益，差分電壓增益，F(xiàn)是從運放的輸出通過負反饋，回到輸入的轉(zhuǎn)移函數(shù)是從運放的輸出通過負反饋，回到輸入的轉(zhuǎn)移函數(shù)l如果直流開環(huán)增益如果直流開環(huán)增益A(0)在在1000到到2000之間，而之間，而F(0)1，則前向增益在，則前向增益在0.999到到0.9995之間變化。如果回路增益很高，則可用反饋網(wǎng)絡(luò)來精確控制前向轉(zhuǎn)之間變化。如果回路增益很高，則可用反饋網(wǎng)絡(luò)來精確控制前向轉(zhuǎn)移函數(shù)。這就是運放的應(yīng)用原理。移函數(shù)。這就是運放的應(yīng)用原理。 反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng) 9兩級兩級CM

8、OS運放的穩(wěn)定性分析運放的穩(wěn)定性分析西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) 反饋信號必須滿足一定的相位和幅值條件，以避免信號產(chǎn)生再生現(xiàn)反饋信號必須滿足一定的相位和幅值條件，以避免信號產(chǎn)生再生現(xiàn)象，即滿足下式：象，即滿足下式：（如果出現(xiàn)了再生，就可能使運放產(chǎn)生振蕩（如果出現(xiàn)了再生，就可能使運放產(chǎn)生振蕩 ） 1)(000jwLjwFjwA其中其中0定義為：定義為：0)()()(000jwLArgjwFjwAArg上述條件也等價為：上述條件也等價為：0定義為：定義為：10兩級兩級CMOS運放的穩(wěn)定性分析運放的穩(wěn)定性分析西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)也就是說，穩(wěn)定性是由單位開環(huán)增益的相位值決定的，即由相位

9、裕度決定。也就是說，穩(wěn)定性是由單位開環(huán)增益的相位值決定的，即由相位裕度決定。所以系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)就是運放的相位裕度較大，一般運放的相位裕度所以系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)就是運放的相位裕度較大，一般運放的相位裕度要求在要求在60o左右。左右。 11無補償兩級運放的小信號模型無補償兩級運放的小信號模型 西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué) 無補償運放的二階模型，為使結(jié)果通用，用角標(biāo)無補償運放的二階模型，為使結(jié)果通用，用角標(biāo)I表示第一級的元件，角標(biāo)表示第一級的元件，角標(biāo)II代代表第二級的元件表第二級的元件; 其中其中R（R）是從運放的第一（二）級的輸出端）是從運放的第一（二）級的輸出端“看到的看到的”與地

10、之間的電阻，與地之間的電阻，C（C）是從運放地第一（二）級的輸出端）是從運放地第一（二）級的輸出端“看到的看到的”與地之間的電容。與地之間的電容。 24524gdgdgsdbdbCCCCCC656gddbdbLCCCCC110( )( )()()()()mmouting R gRAVsVsssss 傳輸函數(shù)傳輸函數(shù) ：兩個極點的位置：兩個極點的位置： IIICRP1IIIIIICRP112有補償兩級運放的小信號模型有補償兩級運放的小信號模型西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)一般情況下，兩個極點相距比較近，使運放的相位裕度小于一般情況下，兩個極點相距比較近，使運放的相位裕度小于45，從而導(dǎo)致運，從

11、而導(dǎo)致運放工作不穩(wěn)定，因此在應(yīng)用中必須進行補償。放工作不穩(wěn)定，因此在應(yīng)用中必須進行補償。 補償電容補償電容CC的作用是削弱主極點的影響而擴大運放的頻寬，由于補償電容的作用是削弱主極點的影響而擴大運放的頻寬，由于補償電容CC的的引入，運放的傳輸函數(shù)變?yōu)橐?，運放的傳輸函數(shù)變?yōu)?2( )(1)( )1()()outmmCminCCmCCCVsg gR RsCgVss R CCR CCgR R Cs R RC CC CC C1mCpgR R CmCCCgCpC CC CC C兩個極點變?yōu)閮蓚€極點變?yōu)?13補償電容補償電容CC對兩級運放的極點對兩級運放的極點零點的影響零點的影響西安電子科技大學(xué)西安電子

12、科技大學(xué)補償電容補償電容CC在右半平面（在右半平面（RHP）引入了）引入了一個零點一個零點Z mCgZC若若CC，且，且CC C mCCCgCpC CC CC C14三、兩級運放的設(shè)計方法三、兩級運放的設(shè)計方法l第一步根據(jù)用途和要求選擇和確定運放的基本結(jié)構(gòu)，做出一個描述全部晶體管第一步根據(jù)用途和要求選擇和確定運放的基本結(jié)構(gòu)，做出一個描述全部晶體管互連的圖。一般情況下，結(jié)構(gòu)在整個設(shè)計過程中是保持不變，但有時需要調(diào)整互連的圖。一般情況下，結(jié)構(gòu)在整個設(shè)計過程中是保持不變，但有時需要調(diào)整一下結(jié)構(gòu)來改變某些方面的特性。一下結(jié)構(gòu)來改變某些方面的特性。 l一旦結(jié)構(gòu)選好之后，就必須確定電路的直流電流，然后開始

13、計算晶體管和補償一旦結(jié)構(gòu)選好之后，就必須確定電路的直流電流，然后開始計算晶體管和補償元件的大小，大部分工作是在第二步完成的，所作的工作是仔細計算器件的尺元件的大小，大部分工作是在第二步完成的，所作的工作是仔細計算器件的尺寸以滿足設(shè)計的交流和直流要求。寸以滿足設(shè)計的交流和直流要求。l在設(shè)計之前需要考慮以下幾個方面的條件：（在設(shè)計之前需要考慮以下幾個方面的條件：（1）工藝要求（）工藝要求（VT，K，Cox等）；等）；（2）電源電壓、電流及其范圍；（）電源電壓、電流及其范圍；（3）工作溫度和范圍；）工作溫度和范圍；l設(shè)計運算放大器時主要的一些參數(shù)如下：（設(shè)計運算放大器時主要的一些參數(shù)如下：（1）直流

14、開環(huán)增益）直流開環(huán)增益AV；（2）增益帶）增益帶寬寬GB；（；（3）建立時間）建立時間Tset；（；（4）轉(zhuǎn)換速率）轉(zhuǎn)換速率SR；（；（5）共模輸入范圍）共模輸入范圍CMR；（6）共模抑止比）共模抑止比CMRR；（；（7）電源抑制止比）電源抑制止比PSRR；（；（8）輸出電壓擺幅；）輸出電壓擺幅；（9） 失調(diào)及噪聲失調(diào)及噪聲西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)15三、兩級運放的設(shè)計方法西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)l設(shè)計運放之前需要確定的電學(xué)參數(shù)設(shè)計運放之前需要確定的電學(xué)參數(shù)(可選可選)：16兩級兩級CMOS運算放大器的一些重要公式運算放大器的一些重要公式 西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)17兩

15、級兩級CMOS運算放大器的設(shè)計步驟（運算放大器的設(shè)計步驟（1） 設(shè)計步驟從選定電路中所用設(shè)計步驟從選定電路中所用MOS器件的長度入手，此長度決定了溝道長度調(diào)制器件的長度入手，此長度決定了溝道長度調(diào)制參數(shù)，這是計算增益必不可少的參數(shù)。選定了標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這是計算增益必不可少的參數(shù)。選定了標(biāo)準(zhǔn)MOS晶體管器件長度后，晶體管器件長度后，下一步是確定最小補償電容下一步是確定最小補償電容CC，配置一個比配置一個比GB高高2.2倍的負載極點倍的負載極點P2可得到可得到60度的相位裕度度的相位裕度，即極點和零點的位置要求，即極點和零點的位置要求CC的最小值為的最小值為(設(shè)設(shè)Z10GB) 西安電子科技大學(xué)西安電子

16、科技大學(xué)LCCC22. 0下一步，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的要求計算最小尾電流下一步，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的要求計算最小尾電流I5，即即CCSRI5如果沒有給定轉(zhuǎn)換速率如果沒有給定轉(zhuǎn)換速率SR，則可以按建立時間，則可以按建立時間TSET的要求來選值選一個約的要求來選值選一個約比比建立時間快建立時間快10倍的值倍的值，并設(shè)輸出擺幅約為電源的一半，如此求得的，并設(shè)輸出擺幅約為電源的一半，如此求得的I5以后還可根以后還可根據(jù)要求進行修正。據(jù)要求進行修正。 18兩級兩級CMOS運算放大器的設(shè)計步驟（運算放大器的設(shè)計步驟（2）西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)用共模電壓范圍來確定用共模電壓范圍來確定M3的寬長比，即的寬長比，

17、即 2(min)1max03(max)353TTinDDVVVVKILW如果如果(W/L)3的值小于的值小于1，就必須增加此值并使，就必須增加此值并使W和和L乘積最小，這是為了減小了柵乘積最小，這是為了減小了柵區(qū)的面積，也減小了柵電容。此電容會影響極點零點對，使相位裕度減小一點。區(qū)的面積，也減小了柵電容。此電容會影響極點零點對，使相位裕度減小一點。 從從CC和和GB的表達式來確定輸入晶體管的跨導(dǎo)，可以用下面方程來計算跨導(dǎo)的表達式來確定輸入晶體管的跨導(dǎo)，可以用下面方程來計算跨導(dǎo)gm2CmCGBg2從而可直接求得輸入晶體管從而可直接求得輸入晶體管M2的寬長比的寬長比52222IKgLWm19兩級兩

18、級CMOS運算放大器的設(shè)計步驟（運算放大器的設(shè)計步驟（3）西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)下面計算下面計算M5的飽和電壓：的飽和電壓：(max)115(min)5TinDSVIVV若若VDS5100mV，則可能會使，則可能會使(W/L)5過大，這是不可接受的。若過大，這是不可接受的。若VDS50V，則，則說明所確定的共模范圍說明所確定的共模范圍CMR的技術(shù)規(guī)范太嚴了。為此，我們可以減小的技術(shù)規(guī)范太嚴了。為此，我們可以減小I5或增加或增加(W/L)1。注意，應(yīng)考慮條件改變后對前面設(shè)計步驟的影吶。這樣反復(fù)迭代，直。注意，應(yīng)考慮條件改變后對前面設(shè)計步驟的影吶。這樣反復(fù)迭代，直到獲得滿意的結(jié)果。由求得

19、的到獲得滿意的結(jié)果。由求得的VDS5及及(W/L)5為為 25555DSVKILW要得到要得到60度的相位裕度，應(yīng)假設(shè)負載極點位于度的相位裕度，應(yīng)假設(shè)負載極點位于GB的的2.2倍處。由此及倍處。由此及p2關(guān)系式，關(guān)系式，可求出跨導(dǎo)可求出跨導(dǎo)gm6CLmmCCgg262 . 220兩級兩級CMOS運算放大器的設(shè)計步驟（運算放大器的設(shè)計步驟（4）西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)1366/ILWLWI CCSRI55657IILWLW最后檢查運放的總增益最后檢查運放的總增益 766325622IIggAmmV如果增益太低，許多參數(shù)還可再做調(diào)整。如果增益太低，許多參數(shù)還可再做調(diào)整。 21運放的性能與器

20、件、電流之間的關(guān)系運放的性能與器件、電流之間的關(guān)系西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)漏極電流漏極電流M1和和M2M3和和M4M6M7補償電容補償電容CCI5I7W/LLLW/LL增大直流增益增大直流增益 1/21/21/21/2增大增大GB1/21/2增大增大RHP零點零點1/21/2增大增大SR增大增大 CL在完成以上計算和設(shè)計后，可以采用在完成以上計算和設(shè)計后，可以采用Spice仿真軟件進行仿真驗證。仿真軟件進行仿真驗證。 22四、兩級運放的仿真和測試四、兩級運放的仿真和測試西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)23共模輸入電壓的仿真和測試共模輸入電壓的仿真和測試西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)對輸入信號在0Vdd范圍內(nèi)進行DC分析，測試輸出電壓能夠跟隨輸入電壓的的范圍，即為運放的共模輸入范圍，這種方法是建立在輸出擺幅不影響輸入