《CMOS模拟系统设计》课程教学课件（讲稿）第02章 OTA分析与设计

西安交通大学研究生课程XIAN JIAOTONG UNIVERSITYCMOS模拟系统设计第2章OTA分析与设计微电子学院张鸿hongzhang@xjtu.edu.cn

研究生课程 CMOS模拟系统设计 第2章 OTA分析与设计 微电子学院 张 鸿 hongzhang@xjtu.edu.cn

主要内容运放的系统级设计■运放的应用和稳定性设计运放的主要性能参数主要OTA结构1全差分运放运放其它设计考虑因素西安文通大学LeC.#2.OTA分析与设计2/171Labof Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 2 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 主要内容  运放的系统级设计  运放的应用和稳定性设计  运放的主要性能参数  主要OTA结构  全差分运放  运放其它设计考虑因素

放大器分类OTAOCACMampOpampOperationalOperationalOperationalCurrentTransconduct.CurrentModeamplifieramplifieramplifieramplifieriOUTiOUTVOUTVOUTAy=Ag=A,=A,=iNiINVINVIN1RL=AAv== AgRL=ArRsRsR =0Rm, = 00Rm = 00Rm =0Rolut=8R.=0Roun = 00Rou = 0out最常见的CMOS放大器形式西安交通大学Lec.#2.OTA分析与设计3/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 3 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 放大器分类 最常见的CMOS放大器形式 0 in out R R    in out R R     0 in out R R    0 0 in out R R  

利用OPA负反馈运算R2VINVOUTRVINVINVOUTVOUTRIER21关键假设R2R2虚断、虚短和虚地Av= 1Ay= 1 +Ay=RR1虚断：运放输入阻抗为8→i=0虚短：运放增益为8，对于单位缓冲器有：AVou = A,(Vin -Vou)Voulir1+ A,A,= 00=> Vout= Vim=V+=V-虚地：运放一端接地，由虚短可得另一端电压必然为0西安交通大学LeC.#2.OTA分析与设计4/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 4 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 虚断：运放输入阻抗为∞  iin=0 虚短：运放增益为∞，对于单位缓冲器有： 虚地：运放一端接地，由虚短可得另一端电压必然为0 利用OPA负反馈运算 关键假设 虚断、虚短和虚地 ( ) 1 v out v in out out in v A v Av v v v A     Av out in v v vv     

积分器[Avl-20dB/decRVOUTVINΦ (Av)90000-90017P2元RCLo西安交通大学Lec.#2.OTA分析与设计KIANJIAOTONGUNIV5/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 5 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 积分器

低通滤波器有源RC滤波器片上滤波器的一种重要实现形式IAvlAvoR2-20dB/decRVOUTVINKO中(Av)90000-900AvoR2nAvo=2元R2CTR1(1 +iKC西安交通大学Lec.#2.OTA分析与设计6/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 6 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 低通滤波器  有源RC滤波器  片上滤波器的一种重要实现形式

高通滤波器[AVl20dB/decAvoR2RVOUTVINSS(AV)900O0-900R2R2PAvo=Av=Avo2元LTR(1+j-K西安交通大学Lec.#2.OTA分析与设计NJAOTO7/171LabofMixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 7 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 高通滤波器

稳定性设计运放通常以闭环方式使用，稳定性是重要的性能指标所有频率都要稳定1借助稳定分析，可以改善系统的性能1稳定性的判断方法：环路增益的波特图，相位裕度闭环根轨迹，零极点的位置巴克豪森稳定性判据西安文通大学Lec.#2.OTA分析与设计8/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 8 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 稳定性设计  运放通常以闭环方式使用，稳定性是重要的性能指标  所有频率都要稳定  借助稳定分析，可以改善系统的性能  稳定性的判断方法：  环路增益的波特图，相位裕度  闭环根轨迹，零极点的位置  巴克豪森稳定性判据 

开环增益、闭环增益和环路增益VOUTVINHβVH1BHV=VBVoutincout1+βHβ1+βBHV= HVouIf loop gain = βH>>1C开环增益=H反馈系数=β闭环增益=1/β环路增益=开环增益/闭环增益=BH西安交通大学Lec.#2.OTA分析与设计9/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 9 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计 开环增益、闭环增益和环路增益  开环增益=H  反馈系数=  闭环增益= 1/  环路增益=开环增益/闭环增益=H in out out VV V V HV         1 = 1 1 out c in V H H A VH H          H If loop gain = H 1 A c  

VINVOUTVOUTHβR2R1开环增益H：运放的增益：VOUTAy=VIN反馈系数(通常小于1)：β=R,/(R,+R2)环路增益：βH=AR,/(R,+R2)闭环增益：A,=H/(BH+1)=1/β=1+R,/R西安文通大学Lec.#2.OTA分析与设计10/171LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 10 /171 Lec. #2. OTA 分析与设计  开环增益H：运放的增益：  反馈系数(通常小于1)：=R1/(R1+R2)  环路增益：  H=AvꞏR1/(R1+R2)  闭环增益：Ac = H/( H+1)≈1/ = 1+R2/R1  H