电子电路大全(PDF格式)-第69部分

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　　　　　　　　　　　g　m　6　　　　　　　942。5　

　　　　　　　　　　　　　　　　=　×　　　　　　　　　　=94。25　≈94　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　15　

　　　　　S6　=　S4　g　m　4　　　　　　150　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　如果知道了g　m　6　和　S6　　，就可以用下面的公式来定义直流I　6　　：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　g　m　6　　　　　　　　（942。5　×10…6　）2　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=94。5uA　≈95uA　

　　　　　　　　　　I　　　　2（K　'　）（W　　）6　　　（2）（50　×10…6　）（94）　

　　　　　　　　　　　6　　　　　　　　P　　　　L　

　　　　　　　　　　　　＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　从I6　解出W6/L6：　　



　　　　　　　　　　　W6　　　　　　　　　　g　m　6　

　　　　　　　　　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　≈15　

　　　　　　　　　　　　L　6　　　K　　'　V　　（饱和）　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　6　　DS　6　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　



　　　　因为由上面得到的　94　的宽长比较大，因此最大输出电压指标会得到满足。　　



　　　　M　

　　　　　　　7　　管的尺寸的选择达到I5　和I6　之间所希望的电流比，可以由下面给出的平衡方程式　



决定：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　I　6　　　　　　　　　　95　×10…6　

　　　　　（　　）　（　　）　　　　　　　　　　　　　　　　　4。5　×（　　　　　　…6　　）　=14。25　≈14　

　　　　　W/L　　　　　　　W/L　

　　　　　　　　　　　7　　　　　　　　5　　　I　5　　　　　　　　　　30　×10　

　　　　　　　　　　　　＝　　　　　　　　　（　　　　）=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　现在让我们检查Vout（最小）的指标（虽然M7　的W/L比已经足够大，以致这一步可能不　



需要）。Vout（最小）的值是：　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　×95　

　　　　　　　　　　V　min（输出）　=V　　　　　　　（饱和）　=　　　　　　　　　　　　　=0。351V　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DS　7　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　110×14　

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　这比期望的值小。　　



　　　　至此，设计初步完成。　　



　　　　核对增益和功耗指标：　　



　　　　　P　　　=（I　　＋I　　）（V　　　＋　V　　　）　=5V　×（30uA　＋95uA）　=0。625mW　

　　　　　　diss　　　5　　　6　　　DD　　　　　SS　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　2g　　　g　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（　　　　　×　…6　）（　　　　　　×　…6　）　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　92。45　　10　　　942。5　　10　

　　　　　Av　=　　　　　　　　　m2　m6　　　　　　　=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　=7696V　/　V　

　　　　　　　　　　I　　λ　λ　λ　λ　　　　　　　　　　　　　　　　　　…6　　　　　　　　　　　　　　　　　　…6　

　　　　　　　　　　　5　（　2　＋　3　）（　6　＋　7　）　30　×10　　（0。04　＋0。05）95　×10　　（0。04　＋0。05）　



增益指标得到满足。如果想得到更高的增益，一种简单的办法是将W和L的值增大两倍，因　



为λ的减小将使增益增大　20　倍。下图为初步设计结果，下一步将仿真。　　



122　　　　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…4　设计手算结果图　　



12。3　电路的性能仿真　　



12。3。1　开环特性仿真　　



　　　　AS　=　AD　　W＇L1　＋　L2　＋　L3＇　　



　　　　PS　=　PD　　2W　＋　2＇L1　＋　L2　＋　L3＇　　



　　　　EX　10。1　Two…Stage　Op　Amp　　



　　　　　。option　post=2　numdgt=7　tnom=27　　



　　　　vdd　4　　　0　　　2。5　　



　　　　vss　　　　　0　　　　　　　5　　　　　　　2。5　　



　　　　vi1　1　　　0　　　sin（0　0。0001　100）　　　ac　1　　　　　　　　



　　　　vi2　2　　　0　　　dc　0　　ac　0　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…5　运放子电路图　　

　　　　　cl　　　　　　3　　　　　　　0　　　　　　　10pf　　



　　　　x1　1　2　3　4　5　opamp　　



　　　　　。subckt　opamp　1　2　6　8　9　　



　　　　M1　4　2　3　3　NMOSl　W=3U　L=1U　AD=18P　AS=18P　PD=18U　PS=18U　　



　　　　M2　5　1　3　3　NMOSl　W=3U　L=1U　AD=18P　AS=18P　PD=18U　PS=18U　　



　　　　M3　4　4　8　8　PMOSl　W=15U　L=1U　AD=90P　AS=90P　PD=42U　PS=42U　　



　　　　M4　5　4　8　8　PMOSl　W=15U　L=1U　AD=90P　AS=90P　PD=42U　PS=42U　　



　　　　M5　3　7　9　9　NMOSl　W=4。5U　L=1U　AD=27P　AS=27P　PD=21U　PS=21U　　



　　　　M6　6　5　8　8　PMOSl　W=94U　L=1U　AD=564P　AS=564P　PD=200U　PS=200U　　



　　　　M7　6　7　9　9　NMOSl　W=14U　L=1U　AD=84P　AS=84P　PD=40U　PS=40U　　



　　　　M8　7　7　9　9　NMOSl　W=4。5U　L=1U　AD=27P　AS=27P　PD=21U　PS=21U　　



　　　　　cc　　　　　　5　　　　　　　6　　　　　　　3pf　　



　　　　　Iref　　　　8　　　　　7　　　　dc　30u　　



　　　　*rset　　　8　　　7　　　131。16k　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　123　　


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　　　　　。MODEL　NMOSl　NMOS　VTO=0。70　KP=110U　GAMMA=0。4　LAMBDA=0。04　PHI=0。7　　



　　　　　＋MJ=0。5　MJSW=0。38　CGBO=700P　CGSO=220P　CGDO=220P　CJ=770U　CJSW=380P　　　



　　　　　＋LD=0。016U　TOX=14N　　



　　　　　。MODEL　PMOSl　PMOS　VTO=…0。7　KP=50U　GAMMA=0。57　LAMBDA=0。05　PHI=0。8　　



　　　　　＋MJ=0。5　MJSW=0。35　CGBO=700P　CGSO=220P　CGDO=220P　CJ=560U　CJSW=350P　　　



　　　　　＋LD=0。014U　TOX=14N　　



　　　　　。ends　　



　　　　　。op　　



　　　　　*。tf　v（3）　vi1（test　in　resistance/out　resistance）　　



　　　　　*。dc　vi1　…0。005　0。005　100u　　



　　　　　*。print　dc　v（3）　　



　　　　　。ac　dec　10　1　10MEG　　



　　　　　。print　ac　vdb（3）　vp（3）　　



　　　　　。end　　



　　　　　电路的开环特性输入网表文件如上所示。转移幅频、相频响应如图　12…6　所示。　　



　　　　　　



增益频谱特性　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…6　开环特性增益曲线（a）和相位曲线（b）　　



124　　　　


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　　　　　从图　12…6　我们可以直接读出一下结果：Gain＝80dB；Phase　Margin＝65o；GB＝5MHz　　



输入输出特性　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…7　输入输出特性曲线　　



　　　　　从图中我们得出输出摆，电压的正向摆幅约为　2。48V，负向摆幅约为－2。5　V，二者稍　



微有些差异。　　



12。3。2　闭环特性仿真　　



　　　　　EXAMPLE　10。2　UNITY　GAIN　CONFIGURATION。　　



　　　　　。option　post=2　numdgt=7　tnom=27　　　



　　　　VIN＋　1　0　PWL（0　…2　10N　…2　20N　2　2U　2　2。01U　　



…2　4U　…2　4。01U　　



　　　　　＋　…。1　6U　…。1　6。01U　。1　8U　。1　8。01U　…。1　　



10U　…。1）　　



　　　　VDD　4　0　DC　2。5　AC　1。0　　



　　　　VSS　0　5　DC　2。5　　



　　　　　CL　3　0　20P　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…8　运放闭环特性测试图　　

　　　　　X1　1　3　3　4　5　OPAMP　　



　　　　　　



　　　　　。subckt　opamp　1　2　6　8　9　　



　　　　M1　4　2　3　3　NMOSl　W=3U　L=1U　AD=18P　AS=18P　PD=18U　PS=18U　　



　　　　M2　5　1　3　3　NMOSl　W=3U　L=1U　AD=18P　AS=18P　PD=18U　PS=18U　　



　　　　M3　4　4　8　8　PMOSl　W=15U　L=1U　AD=90P　AS=90P　PD=42U　PS=42U　　



　　　　M4　5　4　8　8　PMOSl　W=15U　L=1U　AD=90P　AS=90P　PD=42U　PS=42U　　



　　　　M5　3　7　9　9　NMOSl　W=4。5U　L=1U　AD=27P　AS=27P　PD=21U　PS=21U　　



　　　　M6　6　5　8　8　PMOSl　W=94U　L=1U　AD=564P　AS=564P　PD=200U　PS=200U　　



　　　　M7　6　7　9　9　NMOSl　W=14U　L=1U　AD=84P　AS=84P　PD=40U　PS=40U　　



　　　　M8　7　7　9　9　NMOSl　W=4。5U　L=1U　AD=27P　AS=27P　PD=21U　PS=21U　　



　　　　　cc　　　　　　5　　　　　　　6　　　　　　　3pf　　



　　　　　Iref　　　　8　　　　　7　　　　dc　30u　　



　　　　　*rset　　　　　　8　　　　7　　　131。16k　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　125　　


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　　　　　。MODEL　NMOSl　NMOS　VTO=0。70　KP=110U　GAMMA=0。4　LAMBDA=0。04　PHI=0。7　　



　　　　　＋MJ=0。5　MJSW=0。38　CGBO=700P　CGSO=220P　CGDO=220P　CJ=770U　CJSW=380P　　　



　　　　　＋LD=0。016U　TOX=14N　　



　　　　　。MODEL　PMOSl　PMOS　VTO=…0。7　KP=50U　GAMMA=0。57　LAMBDA=0。05　PHI=0。8　　



　　　　　＋MJ=0。5　MJSW=0。35　CGBO=700P　CGSO=220P　CGDO=220P　CJ=560U　CJSW=350P　　　



　　　　　＋LD=0。014U　TOX=14N　　



　　　　　。ends　　



　　　　　　　



　　　　　。DC　VIN＋　…2。5　2。5　0。1　　



　　　　　。PRINT　DC　V（3）　I（X1。M5）　　



　　　　　。TRAN　0。05U　10U　0　10N　　



　　　　　。PRINT　TRAN　V（3）　V（1）　　



　　　　　。AC　DEC　10　1　10MEG　　



　　　　　。PRINT　AC　VDB（3）　VP（3）　　



　　　　　。END　　



　　　　　　　



共模范围特性　　



　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…9　共模特性曲线　　



　　　　由图　12…9　可以看出，共模范围是从－1。2　到＋2。4。注意，共模范围的下限是由　M5　的　



电流达到静态值而确定的。　　



　　



　　



　　



　　



　　



　　



　　



　　



126　　　　


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转换速率（摆率）特性　　



　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…10　单位增益瞬态响应　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　通过瞬态分析得到图　12…10。从图可以看出大信号和小信号瞬态响应分别由将一个　2V　



和　0。2V脉冲作用到单位增益结构所决定。从这图上数据可见：正摆率是　10　V/μs，负摆率　



也是…6。7　V/μs。在图中有一个小的负过冲，原因是由Cc确定的期望摆率值，对负载电容　



充电的电流有点较小。在正摆动时，M6　可以提供足够的电流即刻对变化予以响应。然而，　



负摆动持续过去的终点直到输出级能够按照单位增益反馈网络跟上响应。我们可以增大相　



位裕量，来减小或者消除负过冲。负过冲比正过冲大，就是因为下降时间的相位裕量比上　



升间的相位裕量小。　　



　　　　　　



功率的测量　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图　12…11　总电流曲线　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　



　　　　从图可以得出，流过电源的电流最大没有超过　0。18mA。也就是说最大功耗为　0。9mW。　　



12。3。3　结果汇总　　



　　　　以上是具体的电路结构图和仿真结果，对其性能指标列表可得表：　　



　　　　　　



　　　　　　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　127　　


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表　12。2　运放的性能指标仿真结果　　



　　　　　　　　性能参数　　　　　　　　　　　　单位　　　　　　　　　　　　　　　要求指标　　　　　　　　　　　　　　达到指标　　



　　　　　　　　直流增益　　　　　　　　　　　　dB　　　　　　　　　　　　　　　74　　　　　　　　　　　　　　　　80　　



　　　　　　　GB　　　　　　　　　　　　　　　MHz　　　　　　　　　　　　　　5　　　　　　　　　　　　　　　　　5　　



　　　　　　　　相位裕度　　　　　　　　　　　　度　　　　　　　　　　　　　　　　60　　　　　　　　　　　　　　　　65　　



　　　　　　　　输出摆幅　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　±2　　　　　　　　　　　　　　　　…2。5～2。48　　



　　　　　　　　共模输入范围　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　…1～2　　　　　　　　　　　　　　…1。2～2。4　　



　　　　　　　　压摆率　　　　　　　　　　　　　V/μs　　　　　　　　　　　　　10　　　　　　　　　　　　　　　　10，…7　　



　　　　　　　　功耗　　　　　　　　　　　　　　mW　　　　　　　　　　　　　　　2　　　　　　　　　　　　　　　　　0。9　　



　　　　　　　　电源电压　　　　　　　　　　　　V　　　　　　　　　　　　　　　　　±2。5　　　　　　　　　　　　　±2。5　　



　　　　　　　　输出信号　　　　　　　　　　　　——　　　　　　　　　　　　　　　单端　　　　　　　　　　　　　　　　单端　　



　　　　　　　　负载电容　　　　　　　　　　　　PF　　　　　　　　　　　　　　　10　　　　　　　　　　　　　　　　10　　



　　　　仿真结果与设计指标的比较见表　12。2。可以看出，设计几乎是令人满意的。微小的调　



节可以通过改变W/L比或直流电流使放大器工作在指定的范围。下一步仿真中应该改变模型　



　　　　　　　　　　　　　　　　　V　　　γ　λ　

参数值，典型的是K、　T　　　　　　　　、　　及　　　，确保即使工艺有所改变也能满足指标。　　



128　　　　


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　　　　　　　　　　　　第　13　章　共源共栅运算放大器分析与设计　　



13。1　折叠共源共栅运放的电路结构　　



　　　　如图　13…1　所示，这种结构用共源共栅输出级与一个不寻常的差分放大器级联，达到一　



个大得输入共模范围，这样折叠共源共栅运算放大器提供自补偿，良好的输入共模范围以　



及两级运算放大器的增益。它改进了两级运算放大器的输入共模范围和电源电压抑特性，　



而且稳定性好。