电子电路大全(PDF格式)-第49部分

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截止频率　f　T　的方法（注意到类似的，这个上限截止频率也是由基极输入电阻决定的）。　　



消零电阻以及相位补偿技术　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　105　　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　10…17　消零电阻以及补偿电容　　



　　　　上图为在补偿级中加入一个消零电阻的原理图。可以推得，加入电阻之后，将引入一　



　　　　　　　　　　　　　　　1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…1　　　　　　　　　…1　

个新极点　p　　　　　　=　　　　　　　　，并将使零点变为z　0　　　　　　　　　=＇（g　　　…R　　）C　　＇　，而其他两个极点不变。　

　　　　　　　　　　3　　　　　R　　C　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　m　　　　　z　　c　

　　　　　　　　　　　　　　　　　z　　1　



可以想象，如果能将Rz的取值刚好取为　g　…1　，则正好能使这个零点变到无穷大，如果继续　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　m　



增大Rz的阻值，则这个零点将变为负零点。这就是消零电阻的由来。　　



　　　



　　　



　　　



　　　



　　　



　　　



106　　　　


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　　　　　　　　　　　　　　第三部分　运算放大器设计　　



　　　　　　　　　　　　　　第　11　章　CMOS　运算放大器简介　　



　　　由于CMOS运放主要用于模拟集成系统或子系统中，与整个系统设计制作在一个芯片上，　



所以它的负载是确定的，通常是几十pF的电容负载，这样就不需要像通用运放那样，要求　



电路能适应几百pF的电容负载或几kΩ电阻负载。同时还可以利用负载电容形成运放的主极　



点，使电路简化。　　



　　　20　年前，多数的运放被设计成通用的模块，适应不同的要求。这些努力，企图制造一　



种“理想”的运放，既具有高的电压增益、高的输入阻抗以及非常低的输出阻抗，又具有　



良好的速率、输出摆幅等。　　



　　　实际上，满足上述的某些性能不可避免地要牺牲其它性能为代价。这是因为运算放大　



器的各个参数之间相互制约，相互影响。所以我们今天的运放设计，从开始就认识到各个　



参数之间的折中关系，在整体中进行多方面的综合考虑。　　



11。1　指标参数　　



　　　这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参数，主要有开环增益、　



单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。在后面的设计中，我们将进一步说明对每　



个参数的取舍以及折中的处理办法。　　



11。1。1　开环增益　　



　　　开环增益即开环差模电压增益，是指运算放大电路正常工作，接入规定负载，无反馈　



情况下的直流差模增益，它的测量电路如图　11－1。开环增益与输出电压有关，通常是在　



规定的输出电压幅度测得的值。　　



　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　11…1　增益、相位裕量、摆幅测量电路图　　



　　　现在运算放大电路的开环增益受其使用环境所控制。一般对于集成电路而言，其增益　



要求就比较严格，以确保精度。例如常用的模数转换器（ADC），其中集成的运算放大器的增　



益，就是由这个ADC的每一级的增益误差容限所决定。假如整个ADC的总的误差容限为　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　107　　


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LSB/2（　LSB，最小有效位），那么这个N位的ADC的运算放大电路的开环增益Ao有：　　

　　　Ao》2N＋1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…1）　　



11。1。2　开环带宽　　



　　　运算放大电路工作在高频环境中，工作频率变化时，其开环增益也随之发生变化。一　



般表现为工作频率增加，开环增益下降，如图　11－2。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　11…2　增益频率变化曲线　　



　　　开环带宽就是描述运算放放大器稳定工作的频率区间，也称之为　3dB带宽，是指开环　



差模电压增益下降　3dB时对应的频率f3dB　　



11。1。3　输出摆幅　　



　　　输出摆幅即输出信号的幅度范围。现在使用运放的系统要求大的电压摆幅以适应大范　



围的信号值。例如，能响应管弦乐队音乐的高质量的话筒可以产生的瞬时电压范围大于四　



个数量级。　　



　　　所以对大摆幅的需求使全差分的运放使用相当普遍。但是，由于对于运算放大电路，　



最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度之间，其性能指标是相互制约，是一个很重　



要的课题、可以互换的。这对于运放设计而言，大的摆幅是一个很重要的课题。　　



11。1。4　转换速率　　



　　　转换速率是测量输出信号的最大斜率变化的量，其定义为放大电路在闭环状态下，输　



出为大信号〔例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化率。对于一般的单端　



运算放大器如图　11…3　所示：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图11…3转换速率和建立时间的测量图　



108　　　　


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　　　　则有如下的计算公式：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　d　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　SR=Max　　　　　　　Vout　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…2）　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　dt　　　　　　　



　　　　但是在大信号的高速处理中，并不希望转换这种现象存在，因为在转换期间，输入一　



输出关系是非线性的，转换放大器的输出会表现出很大的失真。　　



11。1。5　建立时间　　



　　　　建立时间是用来描述电路的输出信号的稳定状况，如图　9…3　输入的信号经过工作电路　



后，输出信号经过一定时间内的起伏最后趋近稳定。对于阶跃响应信号，建立时间包括建　



立时间和保持时间。　　



11。1。6　电源抑制比　　



　　　　运算放大器的电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”噪　



声。而电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏差的程度的量。一般定义它为：从输入　



到输出的增益除以从电源到输出的增益。　　



　　　　因为现在的运算放大器逐渐出趋向于低压低功耗，对供电电源的要求也越来越高。　　



11。1。7　共模抑制比　　



　　　　共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一项技术指标，其定义　



为放大电路对差模信号的电压增益Add〔左图）与对共模信号的电压增益Adc，（右图）之比的　



绝对值，即：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＋　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＋　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Voutd　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Voutc　　

　　　　　　　　　Vind　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＋　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＋　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vinc　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Voutd　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Voutc　

　　　　　　　　　　　　　　　　Add=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Adc=　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vind　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vinc　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　11…4　共模增益，差模增益的测试原理图　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Add　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　KCMRR　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…3）　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Adc　



　　　　差模电压增益越大，共模电压增益越小，　则共模抑制能力越强。放大电路的性能越优　



良，因此希望KCMRR　值越大越好。共模抑制比有时，也用分贝（dB）数来表示：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Add　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　KCMRR　=20　lg　dB　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…4）　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Adc　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　109　　


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11。1。8　功耗　　



　　　　由于越来越多运算放大电路应用于便携式设备以及电池电源供电，电路的功耗就值得　



关注了。特别是现在的笔记本电脑，　由于发热以及工作时间等问题，对电脑性能有一定的　



影响，也对使用者引起一些不方便。　　



　　　　所以减小功耗能够使得系统更加精简，也使得电源的寿命更长久，而且也能使得芯片　



在一个适当的温度下工作。　　



11。1。9　噪声　　



　　　　噪声限制了电路能够正确处理的最小信号电平，所以它与功耗、速度、线性度之间是　



相互制约，是一个重要的参数。　　



　　　　而集成电路处理的模拟信号主要会受到两重不同类型的噪声损坏（corrupt）：器件噪声　



和“环境”噪声，环境噪声（表面上）指电路所受到的电源或地线或者衬底的随即干扰。这　



里主要讨论器件噪声：热噪声和闪烁噪声（1/f）的概念，在后面的电路分析中会对其影响做　



详细的说明。　　



　　　　热噪声：　由导体中的电子随机热运动产生，也称之为约翰逊噪声，其表达式为　　



　　　　　　　　　　　_　



　　　　　　　　　　V　2　=4KTR　Δf　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…5）　　



　　　　其中k是波尔兹曼常数，R是热噪声等效电阻。　　



　　　　MOS晶体管也有热噪声，最大噪声是在沟道中产生，可以证明，对于工作在饱和区的长　



沟道MOS器件，可以用一个连接在漏源两端的电流源来模拟，如图　9…5，其谱密度为：　　　



　　　　　　　　　　　I　2　=　4KTγ　gm　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…6）　　



　　　　在长沟道器件中，γ一般取值为　2/3，在亚微米模型中，还有待研究。　　



　　　　闪烁噪声（1/f噪声）：是由半导体中的载流子的陷阱随机捕获或者释放载流子而形成。　



在实际中，其噪声平均功率并不容易测得。1/f噪声一般作为一串联于晶体管栅极的电压源，　



在低频时起主要作用。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　　2=　4KTγ　g　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n　　　　　　　　m　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　11…5　MOS　管的等效热噪声　　



　　　　典型的噪声功率密度表达式为：　　



110　　　　


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　　　　　　2　　　　　K　　　　　　　1　

　　　　　　　　=　

　　　　Vn　　　　COX　　WL　*　Δf　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11…7）　　



11。2　CMOS　运算放大器的设计　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　11…6　常用的两级运算放大器框图　　



　　　　CMOS运算放大器在结构上非常类似于双极型运算放大器。差分跨导级构成了运算放大　



器的输入级，有时会提供一个差分到单端的转换。通常，恰当的总增益由差分输入级提供，　



可以改善噪声和失调性能。第二级通常是反相器，如果差分输入级没有完成差分至单端的　



转换，那么这个工作应该由第二级的反相器完成。如果运算放大器必须驱动一个低电阻负　



载，第二级后必须增加一级缓冲级，用于降低输出电阻，维持大的信号摆幅。偏置电路用　



于为每只晶体管建立适当的静态工作点，而采用补偿电路可以达到稳定的闭环特性。　　



11。2。1　运算放大器分类和结构　　



表　11－1　CMOS　运算放大器分类　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　111　　


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　　　　根据上表的分类，两个主要的运算放大器结构如下：　　



　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　图　11…7　标准两级　CMOS　运算放大器拆分成电压－电流级和电流－电压级　　



　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　11…8　分级的折叠共源共栅运算放大器　　



　　　　　



11。2。2　典型的无缓冲　CMOS　运算放大器指标特性　　



　　　　开始着手实际设计之前，所有对设计给出导向的要求和边界条件都必须明确。下面列　



出必须考虑的问题。　　



　　　　边界条件：　　



　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　'　　COX　

　　　　①工艺规范（　　T　　　　、K　　　、　　　　　等等）　　



　　　　②电源电压范围　　



　　　　③电源电流范围　　



　　　　④工作温度范围　　



112　　　　


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　　　要求：　　



　　　①增益　　



　　　②增益带宽　　



　　　③建立时间　　



　　　④摆率　　



　　　⑤输入共模范围ICMR　　



　　　⑥共模抑制比CMRR　　



　　　⑦电源电压抑制比PSRR　　



　　　⑧输出电压摆幅　　



　　　⑨输出电阻　　



　　　⑩失调　　



　　　①①噪声　　



　　　①②版图面积　　



表　11…2　典型的无缓冲　CMOS　运算放大器特性　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　一般来说，设计一个CMOS运算放大器，有以下几个步骤：　　



　　　　（1）确定合适的结构　　



　　　仔细研究过技术指标后，确定所需要的结构类型。比如，如果要求非常小的噪声和失　



调，那么这个结构必须在输入级提供高增益。如果需要低功耗，那么甲乙类输出级也许是　



必要的。这又决定了必须使用的输入级类型。很多情况下，必须构造一定的结构以满足特　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　113　　


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定的应用。　　



　　　（2）确定满足指标所需要的补偿类型　　



　　　有很多方法可以对运算放大器做出补偿。某些独特的方式适用于某些结构或指标。例　



如，必须驱动非常大的容性负载的运算放大器应该在输出端进行补偿。如果是这样，就要　



求确定所需输入和输出级的类型。在设计过程的第　1　步和第　2　步之间，反复是必然的。　　



　　　（3）设计管子尺寸以满足直流、交流和瞬态性能　　



　　　根据近似公式从手工计算开始，补偿元器件的尺寸也在这一过程中确定。每个器件的　



尺寸手工计算后，用仿真工具进行电路优化设计。　　



　　　在设计过程中可能会发现，用选定的结构达到某些指标是很困难的，甚至是不可能的。　



此时设计者必须改进结构或查找资料以寻求能够达到要求的方法。查找资料替代了重新建　



立一个新的结构。对非常关键的设计，手工计算可以在整个任务的　20％的时间内完成大约　



80％的工作。剩下的　20％的工作需要　80％的时间完成。有时手工计算会因近似计算而受误导。　



尽管如此，这个步骤却是必需的。它可以使设计者对设计参数变化的灵敏性有一个感性认　



识。除此之外。没有其它方法可以使设计者了解各种设计参数是如何影响性能的。计算机　



模拟的反复在这方面给设计者的感觉并不明显。　　



　　　模拟设计的有效规则是：（模拟器的使用）×常识＝（常数）　　



　　　（4）当电路满足技术指标后，进行版图设计。并对对版图待寄生参数的后仿真，使其　



达到性能指标要求。　　



　　　（5）如果版图满足了要求性能指标要求，就进行样品制作，对样品进行测试和评估，　



使其达到性能指标要求　　



　　　（6）只要样品满足性能指标要求，就可以大量生产，设计就结束了。如果没有，就要　



分析原因，从制作，从设计多方面分析，直到样品满足性能指标要求，设计才算完成。　　



　　　对于LSI中的　CMOS运算放大器来说，由于它通常工作在闭环情况，因此最值得关注的　



两项指标是它的支流增益和单位增益带宽。可以通过增大有源负载来提高运算放大器的增　



益。也可以利用单管增益自举来改善增益，还可以通过单级放大器自举来提高SOC中的　CMOS　



运算放大器的增益。　　



114　　　　


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　　　　　　　　　　　　第　12　章　基本两级运算放大器分析与设计　　



12。1　电路的设计目标和结构　　



12。1。1　设计目标　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　表　12。1　所要设计的运放的性能指标　　



　　　　　　　　　参数　　　　　　　　　　　　　　　　　　　单位　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　指标要求　　



　　　　　　　　　供给电压　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　±2。5　　



　　　　　　　　　直流增益　　　　　　　　　　　　　　　　　dB　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　74　　



　　　　　　　　　GB　　　　　　　　　　　　　　　　　　　MHz　　　　　　　　　　　　　　　　　　　5　　



　　　　　　　　　相位裕度　　　　　　　　　　　　　　　　　度　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　60　　



　　　　　　　　　输出摆幅　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　±2　　



　　　　　　　　　共模输入范围　　　　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…1　to　2V　　



　　　　　　　　　压摆率　　　　　　　　　　　　　　　　　　V/μs　　　　　　　　　　　　　　　　　　10　　



　　　　　　　　　功耗　　　　　　　　　　　　　　　　　　　mW　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　　



　　　　　　　　　输出信号　　　　　　　　　　　　　　　　　——　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　单端输出　　



　　　　　　　　　负载电容　　　　　　　　　　　　　　　　　pF　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10　　



12。1。2　采用的结构和小信号模型　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…1　具有　N　沟道输入对的无缓冲两级运算放大器电路　　



　　　整个电路是一个两级放大运放大器。第一级是由M3　和M4　构成的电流镜作为负载，由M1　



和M2　构成的差动作为输入级，M5　提供偏置电流的差动放大器构成。第二级是由M6　和M7　构　



成的电流源负载共源放大器构成的输出级。其中M7　提供偏置电流。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　115　　


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