模擬集成電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器(1).

1、西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)第九章運(yùn)算放大器董剛Email: 2007年9月op ampCh. 9 # 1西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)op ampCh. 9 # 2西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)回顧 反饋系統(tǒng)中負(fù)載的影響二端口網(wǎng)絡(luò)模型電壓-電壓反饋中的負(fù)載電流-電壓反饋中的負(fù)載電壓-電流反饋中的負(fù)載電流-電流反饋中的負(fù)載op ampCh. 9 # 3西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)二端口線性時不變系統(tǒng)的四種模型a.b.c.d.Z模型Y模型H模型G模型op ampCh. 9 # 4西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Z模型V1 = Z11 I1 + Z12 I 2V2 = Z 21 I1 + Z 22 I 2

2、返回信號檢測信號op ampCh. 9 # 5西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Y模型I1 = Y11V1 + Y12V2I 2 = Y21V1 + Y22V2返回信號檢測信號op ampCh. 9 # 6西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)H模型V1 = H11 I1 + H12V2I 2 = H 21 I1 + H 22V2返回信號檢測信號op ampCh. 9 # 7西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)G模型I1 = G11V1 + G12 I 2V2 = G21V1 + G22 I 2返回信號檢測信號op ampCh. 9 # 8西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)選擇二端網(wǎng)絡(luò)模型表述反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)類型電壓-電壓

3、反饋V1-V2電流-電壓反饋I1-V2電壓-電流反饋V1-I2電流-電流反饋描述V2=X21V1+X22I2V2=X21I1+X22I2I2=X21V1+X22V2I2=X21I1+X22V2對應(yīng)模型G模型Z模型Y模型H模型I1-I2op ampCh. 9 # 91西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)電壓-電壓反饋中的負(fù)載（a）G模型（b）簡化的G模型（忽略反饋網(wǎng)絡(luò)的反向增益）Ve = (Vin G21Vout )Z inZ in + G22Vout= A0VeG111Z out + G111VoutVin=A01 + A0Z in G111Z in + G22 Z out + G111Z in G1

4、11Z in + G22 Z out + G11G21op ampCh. 9 # 101V2I 2西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)等效開環(huán)增益的計(jì)算VoutVin=A01 + A0Zin G111Zin + G22 Z out + G111Zin G111Zin + G22 Z out + G11G21Av ,open= A0Zin G111Zin + G22 Z out + G111G11 =I1V1|I 2 =0G22 = |V1 =0op ampCh. 9 # 11=西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)計(jì)算開環(huán)增益與閉環(huán)增益Av ,openG21 =VY RD1Vin RF | RS + 1 / g

5、 m1RSRS + RF g m 2 RD 2 | ( RF + RS )Av ,closed =Av ,open1 + G21 Av ,openop ampCh. 9 # 12V2V1西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)小結(jié)：電壓-電壓反饋中的負(fù)載I1 = G11V1 + G12 I 2V2 = G21V1 + G22 I 2G11 =G22 =I1V1V2I 2|I 2 =0 的輸出端開路|V1 =0 的輸入端短路 = G21 =|I 2 =0 的輸出端開路G11 : 導(dǎo)納量綱，反饋網(wǎng)絡(luò)輸入端看進(jìn)去的導(dǎo)納G22 :電阻量綱，反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端看進(jìn)去的電阻G21 : 無量綱op ampCh. 9 # 1

6、3西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器 定義：高增益的差分放大器 用途：實(shí)現(xiàn)一個反饋系統(tǒng) 開環(huán)增益：由閉環(huán)電路的精度決定運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)是一個不斷tradeoff的過程op ampCh. 9 # 14西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述 性能參數(shù) 單級運(yùn)算放大器 兩級運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)op ampCh. 9 # 15西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器的性能參數(shù)增益小信號帶寬大信號帶寬輸出擺幅線性度噪聲與失調(diào)電源抑止op ampCh. 9 # 1611 1 1 西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)增益 高開環(huán)增益： 抑止非線性 =R2R2 + R1理想運(yùn)放時系統(tǒng)的閉環(huán)增益為實(shí)際運(yùn)放

7、A1，系統(tǒng)的閉環(huán)增益為 1 1A11 1 A1 若閉環(huán)增益為10，要求增益誤差小于1，則A1 1000op ampCh. 9 # 17西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)精確的增益 開環(huán)：不能實(shí)現(xiàn) 工藝偏差 閉環(huán)： 前饋放大器：開環(huán)增益A1足夠高 反饋放大器：精確匹配1A1 Vth 3 + Vdsat 3 + Vdsat1 + Vdsat 9Vb1 Vth 3 0.7留余量，取Vb1 Vth 3 = 0.8VVb 2 VDD | Vdsat 7 | | Vth 5 | | Vdsat 5 |Vb 2 | Vth 5 | Vdsat 5 + Vdsat 3Vout ,max = Vb 2 + |

8、 Vth 7 |Vout ,max Vdsat 7 + Vdsat 9 留余量Vout ,min = Vdsat 7 + Vdsat 9 + 0.1Vout ,max = Vb 2 + | Vth 3 | Vdsat11 + Vdsat 4Vb2Vb1左圖 : Vb 2 VDD VGS 5 VGS 7右圖 : Vb 2 Vdsat11 + Vth 4 + Vdsat 4Vb2Vb1Vout ,min = Vb1 Vth 4 Vdsat11 + Vdsat 4Vb 2 VDD Vdsat 5 Vth 7 Vdsat 7Vth 7 = Vth8Vout ,max = Vb 2 + Vth8 3.5

9、V0.1%建立時間 2000工藝參數(shù)nCox = 60 A/V 2 p Cox = 30 A/V 2n = 0.1 V -1 (L = 0.5m)p = 0.2 V -1 (L = 0.5m) = 0vthn =| vthp |= 0.7Vop ampCh. 9 # 541西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)單端輸出折疊共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)（2）由0.1%建立時間推GBW0.001Vb2t0.1% = lnAv 00 =1=1lnt0.1%Vb1GBW = Av 0 f 0 =1ln2 t0.1%ln10002 3.14 50 109= 22MHz考慮20余量，取GBW = 27MHzop ampCh.

10、 9 # 55Vb1西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)單端輸出折疊共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)（3）由GBW確定各支路電流Av 0 = g m1 RoutVb2f d =12Rout CLGBW = Av 0 f d =g m12CL g m1 = 2CL GBW 0.34msI D1 =g m1Vdsat12= 34uA因此電流分配如下I M 9 = 68uAI M 5 = I M 6 = 34uAop ampCh. 9 # 56Vb2西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)單端輸出折疊共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)（4）過驅(qū)動電壓選取經(jīng)驗(yàn)放大管：200mV負(fù)載管：200 500mV尾電流管：300 500mVVb1確定各管過驅(qū)動

11、電壓M 1、M 2 : 200mVM 10、M 11 : 300mVM 3、M 4 : 200mVM 5M 6 : 300mVop ampCh. 9 # 57Vb2西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)單端輸出折疊共源共柵運(yùn)放的設(shè)計(jì)（5）由輸出擺幅要求確定Vb1、Vb 2Vout ,min = Vb1 Vth 4Vout ,min Vdsat 4 + Vdsat11 = 0.5VVout ,max = Vb 2 + | Vth8 |Vout ,max VGS 3Vdsat 2輔助放大器減小了輸出擺幅Rout g m 3 ro 3 g m 2 ro 2 ro1Av = g m1 Rout g m1 (g

12、m 3 ro 3 g m 2 ro 2 ro1 )op ampCh. 9 # 67西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)增益的提高（3）共源共柵差分對中增益的提高(a) : 使用兩個獨(dú)立的輔助放大器(b) : 使用全差分輔助放大器(c) : 輔助放大器的實(shí)現(xiàn)方式I1、I 2、M 5、M 6、I SS 2缺點(diǎn)：輸出擺幅VX VGS 5 + Vdsatop ampCh. 9 # 68西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)增益的提高（4）折疊共源共柵差分放大器用做輔助放大器VX 允許的最小電壓為Vdsat1 + Vdsat不受輔助放大器限制op ampCh. 9 # 69西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)增益的提高（5）折疊

13、共源共柵用做輔助放大器輸出阻抗的計(jì)算輔助放大器的增益A1A1 g m 5 (g m 7 ro 7 (ro 9 | ro 5 ) | g m11ro11ro13 )Rout A1 g m 3ro 3ro1op ampCh. 9 # 70西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)增益的提高（6）A1 : PMOS差分輸入;A2 : NMOS差分輸入為何？保障最大輸出擺幅！op ampCh. 9 # 71西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述單級運(yùn)算放大器兩級運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)增益的提高性能比較共模反饋輸入范圍限制轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）電源抑止噪聲op ampCh. 9 # 72西電微電子：模擬集成電路

14、設(shè)計(jì)性能比較沒有一個結(jié)構(gòu)是完美的滿足應(yīng)用要求的結(jié)構(gòu)就是最合適的結(jié)構(gòu)op ampCh. 9 # 73西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述單級運(yùn)算放大器兩級運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)增益的提高性能比較共模反饋輸入范圍限制轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）電源抑止噪聲op ampCh. 9 # 74西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)為什么需要共模反饋？理想情況：I 7 + I8 = I 9實(shí)際：工藝偏差、溝道長度調(diào)制I 7 + I8 I 9若I 7 + I8 I 9VX 、VY 上升，使M 5 M 8退出飽和若I 7 + I8 (Vout , max Vout , min )缺點(diǎn)二：擺幅Vout , min =

15、VGS 7 + Vdsatop ampCh. 9 # 782WL|WLLWL=西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)檢測共模輸出電壓的方法（3）：深線性區(qū)電阻M 7、M 8工作于深線性區(qū)I D = nCoxW L (VGS Vth )VDS 1 VDS 2 nCoxWL(VGS Vth )VDSRon =1nCox (VGS Vth )從P看進(jìn)去的電阻為Rtot = Ron 7 | Ron81 1nCox (Vout1 Vth ) nCox W (Vout 2 Vth )1nCox (Vout1 + Vout 2 2Vth )須保證M 7、M8在深線性區(qū)！輸出范圍受限op ampCh. 9 # 79西電

16、微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)CM電平與參考電平的比較與誤差返回（1）負(fù)反饋：Vout1、Vout 2增加 VE 增加 Vout1、Vout 2降低op ampCh. 9 # 80西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)CM電平與參考電平的比較與誤差返回（2）負(fù)反饋：控制尾電流op ampCh. 9 # 81dVout ,CM VGS 7 Vth 7西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)CM電平與參考電平的比較與誤差返回（3）負(fù)反饋：Vout1、Vout 2增加 I M 7、I M 8增加 Vout1、Vout 2降低缺點(diǎn)：Vout ,CM 隨Vb 變化，dVb VDS 7op ampCh. 9 # 82西電微電子：模擬

17、集成電路設(shè)計(jì)CM電平與參考電平的比較與誤差返回（4）使共模輸出電平不受器件參數(shù)影響并降低對Vb的敏感度op ampCh. 9 # 83西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)CM電平與參考電平的比較與誤差返回（5）前一頁電路的改進(jìn)提高I M 5與I M 9的匹配op ampCh. 9 # 84西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述單級運(yùn)算放大器兩級運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)增益的提高性能比較共模反饋輸入范圍限制轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）電源抑止噪聲op ampCh. 9 # 85西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)單位增益緩沖器與輸入范圍限制NMOS差分對，輸入下限：Vdsat + VGSPMOS差分對，輸入上限：

18、VDD VGS Vdsatop ampCh. 9 # 86西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Rail-to-rail運(yùn)放（1）同時使用NMOS差分對與PMOS差分對op ampCh. 9 # 87西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Rail-to-rail運(yùn)放（2）g m并非恒定：GBW、增益等均變化op ampCh. 9 # 88西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Rail-to-rail運(yùn)放（3）op ampCh. 9 # 89西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Rail-to-rail運(yùn)放（4）op ampCh. 9 # 90西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Rail-to-rail運(yùn)放（5）op ampCh. 9 # 9

19、1西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)Rail-to-rail運(yùn)放（6）op ampCh. 9 # 92西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述單級運(yùn)算放大器兩級運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)增益的提高性能比較共模反饋輸入范圍限制轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）電源抑止噪聲op ampCh. 9 # 93tRC=e= e西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率（1） 大信號特性； 來源 運(yùn)放對節(jié)點(diǎn)的充放電受充放電電流限制 系統(tǒng)對大階躍信號的響應(yīng)，不能用小信號描述因?yàn)閂out = V0 (1 e )所以tdVout V0 RCdt RCI out = CtdVout V0 RCdt Rop ampCh. 9 # 94=R

20、2 1 +12A A R2 1 + A 西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率（2）A Vin R2R1 + R2RoutVout VoutVoutR1 + R2+ Vout CL s通常R1 + R2 RoutVoutVin(s) A R + R A 1 + s1 +Rout CL R2 R1 + R2 Vout (t )V0 1 exp( R1 + R2 (1 +R2R1 + R2Rout CLA)t ) u(t )dVout (t )dt=AV0Rout CLexp(1 +R2R1 + R2Rout CLA)t)u(t ) 輸入幅值增加，I out 相應(yīng)增加op ampCh. 9 # 95

21、西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率（3） 理想運(yùn)放：Vout正比于輸入階躍信號 真實(shí)運(yùn)放：Vout受限 單級運(yùn)放的最大充放電電流ISSop ampCh. 9 # 96西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率(4)op ampCh. 9 # 97西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率(5)op ampCh. 9 # 98+西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率與小信號建立（1）tSR VOUTSRt0.1%ln 10002GBWttotal tSR + t0.1% VOUT 1.1SR GBWop ampCh. 9 # 99=西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換速率與小信號建立（2）SR =I SSCLt

22、SR V CLSR I SSV2I D1GBW =g m1 Vdsat1 I SS2CL 2CL 2CLVdsat1t0.1%ln1000 CL2GBW I SS(6.9 Vdsat1 )當(dāng)V 6.9Vdsat1時，tSR t0.1%結(jié)論：若V 6.9Vdsat1，ttotal t0.1% ;否則，ttotal 必須考慮tSR的貢獻(xiàn)ttotal CLI SS(V + 6.9 Vdsat1 )op ampCh. 9 # 100西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述單級運(yùn)算放大器兩級運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)增益的提高性能比較共模反饋輸入范圍限制轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）電源抑止噪聲op ampCh

23、. 9 # 101PSRR =西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)電源抑止比的定義輸入到輸出的增益AV 0電源到輸出的增益AV ,VDDAV 0 g m 2 (ro 2 | ro 4 )開環(huán)運(yùn)放，Vout = VXAV ,VDD 1PSRR g m 2 (ro 2 | ro 4 )op ampCh. 9 # 102C2西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)反饋電路的PSRR先求閉環(huán)增益AV ,cl再求AV ,VDD=dVoutdVDDPSRR =AV ,clAV ,VDD公式9.44，英文版表達(dá)式有誤PSRR (1 + )( g m 2 ro 4C1C1 + C2C1+ 1) g m 2 ro 4op ampC

24、h. 9 # 103西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)本講內(nèi)容 概述單級運(yùn)算放大器兩級運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)增益的提高性能比較共模反饋輸入范圍限制轉(zhuǎn)換速率（壓擺率）電源抑止噪聲op ampCh. 9 # 104V 22Hz222、西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)關(guān)于噪聲注意：書上關(guān)于噪聲的描述vn：噪聲譜密度，其量綱為in：噪聲譜密度，其量綱為A2Hz更確切的描述應(yīng)該是d vn d indf dfop ampCh. 9 # 105西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)電流源負(fù)載的共源電路的熱噪聲為了降低這種電路的噪聲，應(yīng)提高Vdsat 2why ? g m 2 =2I DVdatop ampCh. 9 # 106西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)共源共柵電路的熱噪聲低頻情況下，共柵管幾乎不貢獻(xiàn)噪聲！op ampCh. 9 # 107西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)折疊共源共柵電路的熱噪聲為了降低這種電路的噪聲，應(yīng)提高 Vdsat 3op ampCh. 9 # 108西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)電流鏡的熱噪聲為了降低這種電路的噪聲，應(yīng)提高Vdsatop ampCh. 9 # 109西電微電子：模擬集成電路設(shè)計(jì)差分對的熱噪聲為了降低這種電路的噪聲，應(yīng)提高負(fù)載管的Vdsatop ampCh. 9 # 110 g m 7