电子电路大全(PDF格式)-第67部分

快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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　　


…………………………………………………………Page　558……………………………………………………………

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　　　　


…………………………………………………………Page　559……………………………………………………………

　　　　　

　　　　　　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　　


…………………………………………………………Page　560……………………………………………………………

　　　　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　　　　


…………………………………………………………Page　561……………………………………………………………

　　　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　　


…………………………………………………………Page　562……………………………………………………………

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　　　　


…………………………………………………………Page　563……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　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　　


…………………………………………………………Page　564……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…2　小信号模型　　



　　　　　假设gmI　=　gm1　=　gm2，　RI　=　rds2｜｜rds4，　CI　=　C1，并且gmII　=　gm6，　RII　=　rds6｜｜rds7，　　



CII　=　C2　=　CL，有　　



　　　　　…gmIVin　=　＇GI　＋　s（CI　＋　Cc）＇V2　＇sCc＇Vout　　　



　　　　　0　=　＇gmII　sCc＇V2　＋　＇GII　＋　sCII　＋　sCc＇Vout　　



　　　　　求解，得　　



　　　　　Vout（s）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　gmI（gmII　sCc）　

　　　　　　　　　　　　　　=　

　　　　　Vin（s）　　　　　GIGII＋s　＇GII（CI＋CII）＋GI（CII＋Cc）＋gmIICc＇＋s2＇CICII＋CcCI＋CcCII＇　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ao＇1　s　（Cc/gmII）＇　

　　　　　=　

　　　　　　　1＋s　＇RI（CI＋CII）＋RII（C2＋Cc）＋gmIIR1RIICc＇＋s2＇RIRII（CICII＋CcCI＋CcCII）＇　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　这儿　Ao　=　gmIgmIIRIRII　　



　　　　　经分析，得到下列重要关系式：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　I5　

　　　　　摆率　SR　=　Cc　　（假设I7　》》I5　and　CL　》　Cc）　　



116　　　　


…………………………………………………………Page　565……………………………………………………………

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　gm1　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　第一级增益　Av1　=　　　　　　　　　（gds2　＋　gds4）　=…2gm1/＇I5（λ2　＋　λ4）＇　　



　　　　第二级增益　Av2　=…gm6/（gds6　＋　gds7）　=…gm6/＇I6（λ6　＋　λ7）＇　　



　　　　增益带宽　GB　=gm1/Cc　　



　　　　输出极点　p2　=…gm6/CL　　



　　　　RHP　零点　z1　=gm6/Cc　　



　　　　如果所有根≥　10GB　，那么　60°相位裕度要求　gm6　=　2。2gm2（CL/Cc）。　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I5　

　　　　最大共模输入电压ICMR　Vin（max）　=　VDD　　　　　　　　　　　　　β3　　…｜VT03｜（max）　＋　VT1（min））　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I5　

　　　　最小共模输入电压　ICMR　Vin（min）　=　VSS　＋　　　　　　　　　　　　　β1　　＋　VT1（max）　＋　VDS5（sat）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2I　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DS　



　　　　饱和电压VDS（sat）　=　　　　　　　　　　β　　　



　　　　　（在上面的关系中，设所有的晶体管都工作在饱和区）