CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)_ch9運(yùn)算放大器2——筒套式、折疊式運(yùn)放

1、CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)模擬集成電路設(shè)計(jì)運(yùn)運(yùn) 算算 放放 大大 器器（二）（二）典型的運(yùn)放結(jié)構(gòu)和種類典型的運(yùn)放結(jié)構(gòu)和種類 筒套式共源共柵運(yùn)算放大器筒套式共源共柵運(yùn)算放大器 折疊式共源共柵運(yùn)算放大器折疊式共源共柵運(yùn)算放大器 高增益運(yùn)算放大器高增益運(yùn)算放大器 軌對(duì)軌運(yùn)算放大器軌對(duì)軌運(yùn)算放大器 全差動(dòng)運(yùn)算放大器全差動(dòng)運(yùn)算放大器筒套式共源共柵運(yùn)算放大器筒套式共源共柵運(yùn)算放大器86624420|oomoommvrrgrrggAtelescopic cascode共源共柵運(yùn)放的共源共柵運(yùn)放的ICMR 保證所有晶體管均處于飽和區(qū)保證所有晶體管均處于飽和區(qū) 輸入下限：輸入下限：Vin,min=VCSS+VGS

2、2=Vdsat+Vth2+Vdsat2 輸入上限：輸入上限：Vin,max=Vb-|VGS4|+Vth2 Vb越大，輸入共模電平擺幅越大越大，輸入共模電平擺幅越大單端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍單端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍 輸出下限：輸出下限：Vout,min=Vb-Vth4 輸出上限：輸出上限：Vout,max=VDD-|Vth7|-2Vdsat Vb越小，輸出擺幅越大越小，輸出擺幅越大 輸出擺幅的最大值為輸出擺幅的最大值為VDD-|Vth7|-5Vdsat雙端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍雙端輸出共源共柵運(yùn)放的輸出范圍 輸出下限：輸出下限：Vout,min=Vb1-Vth4 輸出上限：輸出上限

3、：Vout,max=Vb2+Vth5 Vb2越大，輸出擺幅越大越大，輸出擺幅越大 Vb1越小，輸出擺幅越大越小，輸出擺幅越大 輸出擺幅的最大值為輸出擺幅的最大值為2(VDD-5Vdsat)單位增益放大器單位增益放大器142142,421421|1|moomoocloutoomoogrrgrrRrrgrr閉環(huán)輸出阻抗為：環(huán)路增益：開環(huán)輸出阻抗：筒套式共源共柵運(yùn)放的優(yōu)缺點(diǎn)筒套式共源共柵運(yùn)放的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 高增益，較低功耗，較好高增益，較低功耗，較好的頻率特性、噪聲特性的頻率特性、噪聲特性 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 輸入擺幅、輸出擺幅小輸入擺幅、輸出擺幅小 不宜用做單位增益緩沖器不宜用做單位增益緩沖器輸

4、出擺幅很小輸出擺幅很小寬擺幅的單端輸出共源共柵運(yùn)放寬擺幅的單端輸出共源共柵運(yùn)放 實(shí)際電路中，實(shí)際電路中，b結(jié)構(gòu)（寬擺幅）被廣泛采用結(jié)構(gòu)（寬擺幅）被廣泛采用,min14,max26|outbthoutbthVVVVVV寬擺幅的單端輸出共源共柵運(yùn)放寬擺幅的單端輸出共源共柵運(yùn)放輸出擺幅的最大值為輸出擺幅的最大值為(VDD-5Vdsat)筒套式共源共柵運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性筒套式共源共柵運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性因此筒套式共源共柵運(yùn)算放大器因此筒套式共源共柵運(yùn)算放大器一般不需要相位補(bǔ)償一般不需要相位補(bǔ)償為了解決擺幅小的缺點(diǎn)，可以級(jí)聯(lián)一個(gè)共源放大器為了解決擺幅小的缺點(diǎn)，可以級(jí)聯(lián)一個(gè)共源放大器三級(jí)共源共柵運(yùn)算放大器三

5、級(jí)共源共柵運(yùn)算放大器6644288101012302|12outmomoomomoomovmoutm oRgr gr rgr grrgrAgRg r設(shè)所有晶體管、 相等缺點(diǎn)：輸出擺幅受到限制太大，所以一般不會(huì)采用三級(jí)以上的共源共柵結(jié)構(gòu)全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)(1)VVV V. V.A/V CA/V CAmW VVDDthpthn-p-noxpoxnv7 . 0| 0 )m0.5L(20 )m0.5L( 10 30 60 工藝200010功耗3V3 11220，參數(shù)，輸出擺幅性能指標(biāo)全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)(2)dsat1dsat4dsat5dsa

6、t8dsat9 V V: 200mVV V: 300mV V:300mVI9REF1REF2 3mA II330uA過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓分配功耗分配 除去單端的擺幅1.5V，還剩1.5V可供晶體管分配：選擇多大的電流（選擇多大的電流（功耗），主要出于功耗），主要出于速度方面的考慮）速度方面的考慮）全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)(3)9001111125021985412LWLWLWVLWCIdsatoxD確定各晶體管的寬長(zhǎng)比由簡(jiǎn)單電流公式電流、過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓已知全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)全差分共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)(4)0. u14162000vA若所有晶體管均取最小溝道長(zhǎng)度05 ，可算出，小于

7、要求的倍電路對(duì)速度和噪聲的要求使電流不能任電路對(duì)速度和噪聲的要求使電流不能任意減小，因此增大增益的主要辦法就是意減小，因此增大增益的主要辦法就是增加管子的尺寸。增加管子的尺寸。由于由于PMOS的的ro較小，所以主要增大較小，所以主要增大P管的管的L，適當(dāng)調(diào)整過(guò)飽和電壓的分，適當(dāng)調(diào)整過(guò)飽和電壓的分配即可達(dá)到要求配即可達(dá)到要求典型的運(yùn)放結(jié)構(gòu)和種類典型的運(yùn)放結(jié)構(gòu)和種類 筒套式共源共柵運(yùn)算放大器筒套式共源共柵運(yùn)算放大器 折疊式共源共柵運(yùn)算放大器折疊式共源共柵運(yùn)算放大器 高增益運(yùn)算放大器高增益運(yùn)算放大器 軌對(duì)軌運(yùn)算放大器軌對(duì)軌運(yùn)算放大器 全差動(dòng)運(yùn)算放大器全差動(dòng)運(yùn)算放大器折疊共源共柵放大器折疊共源共柵放大

8、器211| |122122IoomIoutoomIoutrrrgrRrrgrRRout較小，因此較小，因此折疊式的電壓增益較小折疊式的電壓增益較小folded cascode折疊共源共柵差分對(duì)折疊共源共柵差分對(duì)12()aDDSSbDDSSPVIPVIII功耗：折疊式的功耗更大折疊式的功耗更大折疊共源共柵結(jié)構(gòu)中折疊共源共柵結(jié)構(gòu)中折疊點(diǎn)折疊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)GS3SB3DB1GD1DB5GD5CCCCCCC電容增加，頻率特性變差電容增加，頻率特性變差折疊式共源共柵運(yùn)算放大器折疊式共源共柵運(yùn)算放大器in,minin,maxDDdsatGS1,minb1th3out,maxb2th7DDdsatV0VVVVVVVVV|V|(V4V)out輸入范圍：輸出范圍：輸出擺幅的最大值為2優(yōu)點(diǎn)：輸入、輸出擺幅比筒套式大