主要内容 MOS晶体管模型 CMOS模拟电路基本模块 单级CMOS放大器 运算放大器 □性能参数 一级运放 两级运放 运放稳定性和频率补偿 2008-3-24 3
2008-3-24 3 主要内容 MOS晶体管模型 CMOS模拟电路基本模块 单级CMOS放大器 运算放大器 性能参数 一级运放 两级运放 运放稳定性和频率补偿
3.4运算放大器(Operational Amplifiers重要性：运放是模拟系统和混合信号系统中重要的完整模块。定义：运放是高增益的差动放大器主要作用：对模拟信号进行放大和实现多种处理功能（闭环设计的复杂性：系统对运放各种参数要求的多样性和具体工艺的各种变化。内容：1性能参数：2一级运放：各种基本结构：输入范围的扩展：增益提高；共模反馈；转换速率；电源抑制。3两级运放：两级运放的结构；4运放的稳定性与频率补偿2008-3-24
2008-3-24 4 重要性： 运放是模拟系统和混合信号系统中重要的完整模块。 3.4 运算放大器(Operational Amplifiers) 设计的复杂性：系统对运放各种参数要求的多样性和具体工 艺的各种变化。 主要作用：对模拟信号进行放大和实现多种处理功能 ( 闭环) 定义：运放是高增益的差动放大器。 内容：1 性能参数； 2 一级运放:各种基本结构；输入范围的 扩展；增益提高；共模反馈；转换速率；电源抑制。 3 两级运放：两级运放的结构；4 运放的稳定性与频 率补偿
SOC中的运放与通用运放的区别综合考虑芯片设计中的运放和“理想"运放的差别高增益（开环）：增益范围在101~105：>105输出阻抗：高(OTA)与低共模电平：约Vpp/2与0V；虚短与虚地速度（带宽）：高与低电源供给：单电源与双电源功耗：小与大2008-3-24
2008-3-24 5 SOC中的运放与通用运放的区别 综合考虑芯片设计中的运放和“理想”运 放的差别 高增益（开环） ：增益范围在101~105；>105 输出阻抗 ：高(OTA)与低 共模电平：约VDD/2与0V; 虚短与虚地 速度（带宽）：高与低 电源供给：单电源与双电源 功耗：小与大
重要参数1.增益-决定反馈系统精度、抑制非线性2.小信号带宽一单位增益频率，影响高频特性3.大信号带宽一非线性转换速率4.输出摆幅适应大范围的信号值5.线性度开环运放一般有很大非线性器件失配造成6. 噪声与失调7.电源抑制一一不受电源电压波动影响2008-3-24
2008-3-24 6 重要参数 1. 增益——决定反馈系统精度、抑制非线性 2. 小信号带宽——单位增益频率，影响高频特性 3. 大信号带宽——非线性转换速率 4. 输出摆幅——适应大范围的信号值 5. 线性度——开环运放一般有很大非线性 6. 噪声与失调——器件失配造成 7. 电源抑制——不受电源电压波动影响
例：开环增益设计取决于应用要求的精度设计成额定增益为10，即1+R,/R,=10。要求相对增益误差为1%，确定A1的最小值。VAlAlVinoutloutR21+ βA1+4R +R,WR1R23out主V.BA7要达到增益误差小于1%，必须满足A,>1000。2008-3-24
2008-3-24 7 例：开环增益设计取决于应用要求的精度 设计成额定增益为10，即1+R1/R2=10。要求相对增益误差为 1%，确定A1的最小值。 1 1 1 2 1 1 2 1 1 out in V A A V A R A R R β = = + + + 1 1 1 1 out in V V A β β ⎛ ⎞ ≈ − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 要达到增益误差小于1%，必须满 足A1>1000
3.4.2一级运放1.各种基本结构VDDVODMMVb.EMM3Vout2oVoutVoutiCCLCLTVin10-FMM220Vin2M2HMDIssIss::(b)(a)A=gmN(ronllrop)在亚微米器件的典型电流值下，增益很难超过20带宽通常由负载电容C，决定。(a)电路有一个镜像极点，(b)电路没有，这对电路稳定性有很大影响。2008-3-24
2008-3-24 8 3.4.2 一级运放 1.各种基本结构 Av=gmN(rON||rOP) 带宽通常由负载电容CL决定。 (a)电路有一个镜像极点，(b)电路没有，这对电路稳定性有很大影响。 在亚微米器件的典型电流值下，增益很难超过20
一级运放接成单位增益缓冲器VpDM4M3oufVoutVinoHM1M22输出跟随输入变化①IssVin,min=VGs1+VoDss=0.3+0.7+0.3=1.3Vin,max=VpD-lVGs3/+VTH1=3-1.0+0.7=2.7输入共模电压范围为1.4闭环输出阻抗为(ropllron)/(1+9mN(roplIron)）～1/gmN2008-3-24
2008-3-24 9 一级运放接成单位增益缓冲器 Vin,min=VGS1+VODSS=0.3+0.7+0.3=1.3 Vin,max=VDD-|VGS3|+VTH1=3-1.0+0.7=2.7 输入共模电压范围为1.4 闭环输出阻抗为(rOP||rON)/(1+gmN(rOP||rON)) ≈1/gmN 输出跟随输入变化
共源共栅运放VoDVoDM7MsM7Vb3MsxM5M62M5Vb2FM6oVoutVoutVp1M3MAM3M北MM2M1M2VinVin①IssOIss吉吉(a)(b)特点：高增益；高速；输出摆幅减小。也叫套筒式共源共栅A,=gmn[(gmNron2)ll(gmprop2))102008-3-24
2008-3-24 10 特点：高增益；高速；输出摆幅减小。也叫套筒式共源共栅 共源共栅运放 Av＝gmN[(gmNrON2)||(gmPrOP2)]
套筒式共源共栅运放难以接成单位增益级VODHMsMTH要保证M2和M4都工作在饱和区。VpM57MeVGS4-VTH2oVoutVTH4Vhe1允许范围MM4XVb-VTH4VinoMM2(缓冲器)允许的输OIss出范围小于一个阈值。2008-3-2411
2008-3-24 11 套筒式共源共栅运放难以接成单位增益级 (缓冲器)允许的输 出范围小于一个阈 值。 要保证M2和M4都工作在饱和区
折叠共源共栅运放VDDDr1IOVoVVinMoutoutM2M2M,VinoNMOS共源共栅放大器折叠成PMOS输入器件122008-3-24
2008-3-24 12 折叠共源共栅运放 NMOS共源共栅放大器折叠成PMOS输入器件