资源预览内容
第1页 / 共39页
第2页 / 共39页
第3页 / 共39页
第4页 / 共39页
第5页 / 共39页
第6页 / 共39页
第7页 / 共39页
第8页 / 共39页
第9页 / 共39页
第10页 / 共39页
亲,该文档总共39页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
CMOS模拟集成电路设计,运算放大器,2019/1/21,提纲,2,提纲,1、概述 2、一级运放 3、两级运放 4、增益的提高 5、共模反馈 6、输入范围限制 7、转换速率 8、电源抑制 9、运放的噪声,2019/1/21,概述,3,1、概述,“运算放大器(运放)” 高增益的差动放大器,理想运放的基本特点 开环差模电压增益 共模抑制比 开环输入电阻 开环输出电阻0 开环带宽 没有温飘,“虚短”,输入电流为0,“OP AMP”,2019/1/21,概述,4,1.1 性能参数,增益,小信号带宽 3dB带宽;单位增益带宽; 增益带宽积(GB),大信号带宽,输出摆幅,线性,噪声与失调,电源抑制,转换速率(slew rate),稳定时间(settling time)ts,2019/1/21,一级运放,5,基本电路结构,增益,Vout,Vin,Amplifying stage,2、一级运放,2019/1/21,一级运放,6,But 输出摆幅,套筒式共源共栅运放(telescopic cascode op amp),2019/1/21,一级运放,7,输入输出很难短接,为保证M2和M4饱和,套筒式共源共栅运放(telescopic cascode op amp),2019/1/21,一级运放,8,设计实例,设计全差动套筒式运放,该运放的性能指标为:VDD=3V,差动输出摆幅=3V,功耗=10mW,电压增益=2000。假定nCox=60 A/V2, pCox=30 A/V2 ,n0.1V-1, p0.2V-1(有效沟道长度为0.5 m时), =0,VTHN| VTHP |=0.7V。,解:1、从功率预算出发,确定工作电流,2、根据输出摆幅,分配过驱动电压(OD),3、根据I和OD,由公式,得到各管尺寸,(最小栅长),2019/1/21,一级运放,9,Key:I,W/L,设计实例(续),4、计算增益,得到Av=1416,如何Av,考虑,W; ID;(L) Av,例如 ,选择(W/L)5-8=1111 m/1 m 则p 0.1V-1,得到Av4000,5、满足最大输出摆幅,计算输入共模电平和偏置电压Vb1,2,注意和参数之间的关联与影响!,2019/1/21,一级运放,10,“折叠”结构输出摆幅,折叠共源共栅运放(folded cascode op amp),2019/1/21,一级运放,11,增益:,比较于套筒式结构的增益:,增益小23倍,极点更加靠近原点,由于增加了M5上的CGD5和CDB5,折叠共源共栅运放(续),2019/1/21,一级运放,12,采用NMOS作为输入器件,折叠点(X)对应的极点更低: 由1/(gm3+gmb3)与X点总电容的乘积决定。,折叠共源共栅运放(续),2019/1/21,一级运放,13,总之,对比于套筒式结构,折叠式共源共栅运放 电压输出摆幅大; 输入输出可以短接; 输入共模范围大,输入共模电平可以接近VDD(NMOS输入管)或GND(PMOS作输入管) 较大的功耗; 较低的电压增益; 较低的极点频率; 较高的噪声;,折叠共源共栅运放(续),设计时, 在套筒式结构中,以下三个电压是必须确定的 输入共模电平, PMOS, NMOS共源共栅管的栅极偏置电压。 而在折叠式结构中,只有后两个电压的确定是严格的。,2019/1/21,14,3、两级运放,基本电路结构,增益,高增益 需要频率补偿,2019/1/21,增益的提高,15,4、增益的提高,Gm,Rout,Rout,共源共栅结构,输出摆幅,反馈技术,提高信号通路上的输出电阻,调节型共源共栅,2019/1/21,增益的提高,16,高增益差动共源共栅级结构,2019/1/21,增益的提高,17,高增益差动共源共栅级结构(续),提高负载通路上的输出电阻,2019/1/21,共模反馈,18,5、共模反馈,电路的失配使电路产生“共模误差” 右图的pmos电流源做负载的电路的共模电平不容易确定 失配使电流出现误差,进而影响晶体管的工作状态(脱离饱和区) CM不能通过差动反馈达到稳定。,CMFB: 检测输出共模电平 同一个参考电压比较 将误差送回放大器偏置网络,2019/1/21,共模反馈,19,检测输出共模电平,R1和R2必须比输出电阻大很多,否则影响增益,电阻检测,源级跟随器,I1和I2以及R1和R2必须足够大,以避免当输出出现大摆幅时,M7,8 “挨饿”(缺电流),检测的共模电平比输出CM低VGS7,8,输出摆幅降低,比没采用源跟随器结构大约减小一个VTH,2019/1/21,共模反馈,20,检测输出共模电平(续),深线性区的MOS管的共模检测,总电阻,必须保证M7和M8处于深线性区,M7的栅源电压必须远大于VTH,否则M7脱离深线性区(VP0);,要超过两个过驱动电压,即限制了输出电压摆幅,2019/1/21,共模反馈,21,控制共模电平,Vout,CM VE IM3,4 Vout,CM ,如果环路增益大,则反馈网络迫使Vout,CM趋近VREF,当采用电阻检测方式时,,2019/1/21,共模反馈,22,控制共模电平(续),Vout,CM Iss1 IM5,6 Vout,CM ,当采用电阻检测方式时, 对于折叠cascode放大器,CMFB也可以控制输入差动对的尾电流源,2019/1/21,共模反馈,23,控制共模电平(续),其中,令,缺点: Vout,CM是器件参数的函数 Ron7| Ron8上的压降VP限制输出摆幅 欲 VPM7和M8 C,反馈加到输入差动对的尾电流上(folded cascode op amp),当采用深线性区的MOS管的共模检测时,,得到,2019/1/21,共模反馈,24,控制共模电平(续),Vb的确定: 通过一个电流镜来确定Vb,使ID9跟踪I1和VREF。,令,这样,当Vout,CM=VREF时, ID9=I1。,由于VDS15VDS9,沟道长度调制效益导致误差。 增加M17和M18,保证VDS15VDS9,上述第二个问题可以通过把反馈加到输入差动对的尾电流上解决,但Vb?,2019/1/21,输入范围限制,25,6、输入范围限制,大的共模输入范围,在单位增益缓冲器中,输入摆幅等于输出摆幅,2019/1/21,输入范围限制,26,大的共模输入范围(续),混合使用NMOS差动对和PMOS差动对,2019/1/21,转换速率,27,7、转换速率,Review:小信号下,RC网络,阶跃,2019/1/21,转换速率,28,7、转换速率,转换速率(压摆率):输入阶跃信号幅度很大时,实际的输出表现具有近似为常数的斜率,该常数定义为转换速率。,在小信号下,阶跃响应的斜率正比于输出的最终值,而在大信号下,表现为不变斜率。,2019/1/21,转换速率,29,处理大信号时,运放工作于非线性区,转换速率限制大信号的工作速度,忽略被R1、R2抽取的电流,2019/1/21,转换速率,30,处理正弦信号V0sin0t,运放的转换速率必须超过V00,2019/1/21,电源抑制,31,8、电源抑制,电源抑制比(PSRR):从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。,二极管连接的MOS管具有钳位作用,电源增益为1,因此低频时,,2019/1/21,运放的噪声,32,运放的噪声,套筒式运放的噪声,共源共栅器件产生的噪声可以忽略,2019/1/21,运放的噪声,33,折叠式运放的噪声,共源共栅器件产生的噪声可以忽略,2019/1/21,运放的噪声,34,折叠式运放的噪声比相应的套筒式的结构的噪声更大 PMOS和NMOS电流源对噪声的贡献随它们的跨导正比例增加,因此,出现了噪声和输出摆幅之间的折中关系。 二级(多级)运放的噪声主要由第一级决定,因为第二级以后的噪声在参照主要输入时,要除以前级的增益。,2019/1/21,小结,35,性能比较,2019/1/21,一级运放设计实例,36,一级运放设计实例(optional),约束条件 电源电压 工艺 温度,设计描述 小信号增益 频率响应 输入共模范围(ICMR) 输出摆幅 转换速率 功耗 负载电容CL,关系方程,2019/1/21,一级运放设计实例,37,设计步骤 1.由已知的CL并根据转换速率的要求(或功耗要求)选择ISS(I5)的范围; 2. 计算满足频率要求的Rout范围, 并根据Rout计算并修订ISS的范围; 3. 设计W3/L3( W4/L4 )满足上ICMR(或输出摆幅)要求; 4. 设计W1/L1满足增益要求; 5. 设计W5/L5满足下ICMR(或输出摆幅)要求; 6. 若达不到设计要求,重复上述过程。,2019/1/21,一级运放设计实例,38,设计举例 设计电流镜负载的MOS差分放大器:VDD=5V,SR10V/s,CL5pF,功耗1mW,电压增益=100,1V ICMR 4.5V, f-3dB 100kHz。假定nCox=110 A/V2, pCox=50 A/V2 ,n0.04V-1, p0.05V-1(有效沟道长度为0.5 m时), =0,VTHN| VTHP | =0.7V。,解:,1. 为满足转换速率的要求, 功耗的要求,2. 3dB的要求, 而,选取I5100A,3.,W3/L38,2019/1/21,一级运放设计实例,39,4.,5.,W1/L118.4,W5/L5300,又根据,6.若不满足要求,重复以上步骤;例如调整M5和M1,2上的OD,以减小M5尺寸,
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号