毕业设计（论文）-开关电源.doc

摘 要开关电源芯片作为电源管理芯片的一个主体部分，因为有着高的转化效率和低的功耗等特点，使得开关电源芯片在便携式设备中有广泛的应用，其芯片的电路集成化、高工作效率及低纹波输出一直是研究的重点。而其中误差放大器模块是开关电源中一个非常重要部分，它通过将采样反馈电压与基准电压比较，输入到PWM（脉宽调制）模块来控制占空比，从而实现输出电压的稳定，所以误差放大器是芯片电压反馈环路的关键。本课题正是对于一种基于BiCMOS工艺，应用于开关电源芯片中的误差放大器深入研究，提出一种能用于高性能的开关电源芯片中的误差放大器电路，在保证高的增益和合适的带宽的同时，还具备稳定性高、瞬态响应速度快、对噪声有较强的抑制的特性。本文从开关电源的工作原理，发展及前景讲起，着重介绍了开关电源中误差放大器的设计思路，工作原理，性能要求。并对提出的误差放大器电路的差分输入级，共源共栅增益级，交叉耦合负载电路和输出级等设计思路进行了详细的分析。最后，通过Hspice软件，在各种情况下，对误差放大器进行特性仿真验证。关键词：DCDC转换器 误差放大器 交叉耦合 CMRR PSRRAbstractAs a main part of power management chips, switching power chips have been widely applied to portable electronic fields for their features of high efficiency and low dissipation, and people have always been interested in some characteristics of switching power chips such as circuit integration, high efficiency and low output ripple voltage. Error amplifier is a crucial part in switching power chips; by comparing the sampled feedback voltage with a reference voltage, it generates an error voltage at PWM (Pulse wide Modulation) part to regulate the duty circle, thus realizing the stability of output voltage, so, error amplifier plays a key role in the voltage feedback loop. This paper designed and analyzed an error amplifier based on BiCMOS technology, which can be applied to switching power chips. The error amplifier has excellent performance: it not only fully meets the requirement of high gain and suitable bandwidth, also features with optimum stability, fast transient response and good resistance to noise.This paper begins with the principle, development and foresight of switching power supply, then it gives a particular description of error amplifier from its design guidelines, operation principles and performance requirements, further, it analyzed the differential input stage, common source-common gate gain stage, cross-coupled load circuit and output stage in detail. At last, the performance of the error amplifier is simulated by Hspice EDA software in all conditions and the simulation results are presented.Key Words：DCDC Converter error amplifier cross-coupled CMRR PSRR目录摘 要IAbstractII1 选题背景11.1 本课题来源和意义11.2 开关电源控制技术11.3 开关电源的发展现状41.4 开关电源的前景和发展方向71.5 本论文章节安排以及主要内容82 误差放大器92.1 误差放大器工作原理92.2 误差放大器主要参数92.3. 本课题误差放大器性能要求112.4 本课题误差放大器性能指标小结133 误差放大器设计思路143.1 从工艺选择的角度143.2 工艺选择小结173.3 从电路选择的角度184 一种应用于电源管理芯片的误差放大器的设计与分析374.1 应用于电源管理芯片的误差放大器原理图374.2 实际仿真线路图385 总结59致谢60参考文献61附录一 直流仿真网表63附录二 交流分析增益仿真网表65附录三 CMRR仿真网表67附录四 PSRR仿真网表69附录五 延迟时间仿真网表71附录六 转换速率（Slew Rate）仿真网表73761 选题背景1.1 本课题来源和意义当今的电源管理芯片 可从各种输入电源获得工作电压，范围包括从锂离子电池、碱性电池、镍电池到USB。电池供电型便携式电子设备对这些电源管理芯片提出了苛刻的要求，以延长电池的运行时间、降低系统噪声并节省板级空间。部分关键要求包括低静态电流、低纹波、高效率、低输入和输出电压。它们还需要低压降、热调节、快速而准确的充电、紧凑的占板面积和极少的外部组件以及在变动的输入和输出负载条件下的稳固性。传统的线性电源：功耗大、效率低, 其效率一般只有45% 左右; 体积大、重量重, 不能微小型化; 必须有较大容量的滤波电容。开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源,它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式.开关电源的主要优点： 功耗小、效率高； 体积小、重量轻； 稳压范围宽； 滤波效率高； 电路形式灵活多样1.2 开关电源控制技术在开关电源DCDC变换器中，由于输入电压或输出端负载可能出现波动，应保持平均直流输出电压应能够控制在所要求的幅值偏差范围内，需要复杂的控制技术。DC-DC变换器的调制方式根据开关控制脉冲的频率是否固定，可以分为两种：一是脉宽调制方式PWM，Pulse-width Modulation)，周期不变，导通时间可改变，另一种是频率调制方式(PFM，Pulse-frequency Modulation), 导通时间不变，周期可改变。脉宽调制 (PWM) 常被用于高电流负载，而脉频调制(PFM) 模式被用于轻负载。在 PWM 模式下，转换器工作在固定频率上，而该频率可以被对噪声敏感的应用所过滤。在这种模式下，主要损耗是当转换器进行功率转换时发生的传导损耗和开关损耗。虽然在轻负载下，开关频率根据负载变化降低，从而减少了开关损耗，而且PFM模式还能关断大部分电路以降低静态电流，但由于波纹较大，在电源管理芯片中常采用PWM而非PFM。PWM从控制方式上可以分为两类，即电压型控制(Voltage mode control)和电流型控制（Current mode control）。1.2.1电压型控制方式电压型控制方式的基本原理就是通过误差放大器输出信号与一固定的锯齿波进行比较，产生控制用的PWM信号。从控制理论的角度来讲，电压型控制方式是一种单环控制系统。电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感电流。二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统方能稳定的工作。图11 电压模式控制结构框图1.2.2电流型控制方式电流型控制是指将误差放大器输出信号与采样到的电感峰值电流进行比较，从而对输出脉冲的占空比进行控制，使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化。电流控制型是在传统的PWM电压控制的基础上，增压电流负反馈环路，使其成为一个双环控制系统，让电感电流不再是一个独立的变量，从而使开关变换器的二阶模型变成了一个一阶系统。在这双闭环控制系统中，外环使有输出电压反馈电路形成，内环是采样输出电感电流峰值形成，当内环电流在每一个开关周期内上升，直至达到电压外环设定的误差电压阈值。电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的，并且检测输出电感电流的动态变化，而电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大的多的带宽。图12 电流模式控制结构框图1.2.3电压模式、电流模式控制技术比较（1）电压方式控制的优点是：1.适用于带有单个反馈的电路。2.大幅度的梯度波形可以给稳定的调制过程提供大的噪声容限。3.低阻抗的电源输出给多输出应用提供了好的穿通规则。 （2）电压方式的缺点是： 1.随着输出的变化，必须首先明确负载端的任何改变，然后通过反馈回路调节，这通常会影响反应速度。 2.在误差放大器中，低频滚筒式输出需要一个占优势的极，或者在带有零的补偿电路中，输出过滤器给控制回路添加了两极。3.由于环路增益随输入电压而变化，补偿作用将更加错综复杂。电流控制方式大大改善了电压控制方式的上述所有缺点，如图二所示，基本的电流控制方式采用了固定时钟频率的振动器，并且用被输出控制的电流信号代替斜坡梯度波。（3）电流模式优点1. 线性调整率（电压调整率）非常好。2. 整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路和电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环路补偿网络得以简化，稳定度得以提高并且改善了频率响应，具有更大的增益带宽乘积。3. 具有瞬时峰值电流限流功能。4. 简化了反馈控制补偿网络、负载限流、磁通平衡等电路的设计，减少了元器件的数量和成本，这对提高开关电源的功率密度，实现小型化、模块化具有重要的意义。(4)电流模式需要改进的地方1. 这种方式因为有两个反馈电路，使得电路分析过程较为复杂。 2. 除非增加倾斜补偿，否则当占空比大于50%时，控制回路变得不稳定。3 因为控制调制基于一个从输出电流得到的信号，功率级的反馈给控制回路带来噪声干扰。4. 变压器绕组电容和输出整流器恢复电流通常会引起电流前沿尖峰，这是一个尤其麻烦的噪声源。 5. 当控制回路强制驱动电流时，负载调节作用变的比较差并且需要耦合的感应器以便获得合适的多输出的交叉调节。由上比较可以看出，虽然电流模式PWM DC-DC自身也有一些缺陷，最主要的是电流反馈环路的开环不稳定性，也就是说当电压反馈环路断开时，电流反馈环路本身就有稳定性问题。为了解决这个问题必须要在电路中加入适当的补偿斜波，增加了系统的复杂程度。但不难看出，电流模式PWM DC-DC虽然结构相对复杂，设计难度大，但其优点明显，是PWM DC-DC控制技术的主流发展方向。1.3 开关电源的发展现状开关电源管理芯片于90年代中、后期问世后，便显示出强大的生命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。新一带开关电源管理集成电路采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性工作，控制开关元件的时间占空比来调整输出电压。目前采用PWM工作方式的控制IC较多，如LINFINITY公司的SG1524、RICOH公司的RH5RH系列、Siliconix公司的SI9154、FAIRCHILD SEMICONDUCTOR公司的FDSH0165、MAXIM公司的MAX736/737、POWER INTEGRATED公司的TOPII系列TOPGX系列等。由于采用了全新的工作方式和较高工作频率，开关电源管理IC能大大提高电源效率，纹波幅度明显下降，使得输出稳定。例如SG1524内部所需电流小于10mA；MAX736/737效率可以达到83，输出电压为15V时，纹波幅度为0.75V；FSDH0164在空载下消耗功率小于250mW；RH5RH系列输出高电压精度为0.5，效率典型值为85；TOPII系列最高可达90；TINYSwitch系列载轻负载下其跳周期技术所表现出来效率更加显著，载空载时，功耗仅为3060mW。在新一代开关电源管理IC中，除了必要的加热和过流保护外更增加了其他实用的功能，成为真正的只能控制电路。在Si9145中，可以通过模式选择来决定输出方式，电路还有Standby模式以节省空耗。FSDH0165具有欠压滞回和自动重启功能，这些功能时当电源过载后不是立即开启LDMOS，在等待一段时间后重新开启，避免了在过载没有去除的情况下对LDMOS管的反复开关。MAX736、737加入了软启动功能可以有效降低商店或者时自动重启时电感上的尖峰电压，并在芯片版图级考虑了噪声的影响，通过合理布局来降低噪声。TOPII系列除了具有自动重启功能外，在故障发生期间只允许5的导通时间，更有效地保护开关期间。TOPSwitchFX系列除了软启动功能降低启动压力和过冲外，采用了频率抖动降低EMI及其滤波费用，其之后热关断使器件在文档下降后自动恢复工作，不需要重新上电复位，采用了Ecosmart节能技术，包括跳过部分周期以降低空载功耗、为高效待机应用提供频率减半选项和远程控制功能。在以PWM控制方式的集成电路中，大部分都是用来驱动外面的开关元件，其中既有驱动MOS功率器件的（SI9154），也有驱动双极型功率管的（SG1524）。但从使用地角度来考虑，如果在集成电路内部布袋集成控制功能，而且将功率期间也放在内部，则大大方便了用户。目前，已经有了一些集成开关元件地控制电路出现，FAIRCHILD公司在FDSH0165内部集成了耐压地650VLDMOS，MAXIM工在在MAX736/737内部集成了耐压700V地LDMOS。PWM电源管理芯片市场主要被几家美国、欧洲和我国台湾企业所占据。（1）国外美国National semiconductor 公司提供的LM3671，针对数字处理其的高校降压型稳压器。特点：自动模式在PWM(重负载)和PFM(轻负载)间转变. PFM 带超低静态电流 (15uA 典型值.) 极大地提高了待机时间. 效率在600uA负载电流下提高了85% 且无需数字处理器的介入；2MHz开关频率, 带集成的被动器件, 补偿及软启动, 采用 SOT23-5 封装. 小型的完整解决方案. 仅需三个外部元件. 小型的, 低成本陶瓷输入和输出电容及小型 2.2uH 电感；600mA 输出电流, 带预设的输出电压(输出可灵活地调节特别灵活及优化的解决方案. 单个器件极大地包含了许多 dc-dc 降压；提供快速瞬态响应的高带宽, PWM和PFM的极低的输出纹波, 和严谨的输出精度.为数字处理器提供优化的性能.美国独立制造商凌特(Linear)推出的采用 3mm 3mm DFN 封装的双输出（升压/负输出）、1.3A、1.2MHz DC/DC 转换器 LT3471。恒定频率电流模式 PWM 架构产生易于滤除的可预测低输出噪声。由于输出电压误差放大器可检测到地，该器件可配置成双升压、升压/负输出或双负输出，从而提供升压或负输出控制能力。LT3471 的 2.4V 至 16V 输入电压范围使其非常适合锂离子电池、多节碱性/镍氢金属电池以及 12V 电源等应用。该器件的低 VCESAT 双极开关使其能以纤巧型 9mm2 封装提供 42V 的大电流输出。LT3471 的开关频率为 1.2MHz，允许使用微小的低成本扁平电感器和电容器。通过可编程软启动功能去除启动时的大浪涌电流，而外部 RC 可设定电流斜坡率。LT3471 开关的额定电压为 42V，是高达 40V 的升压转换器及 SEPIC 和反激式设计等的理想选择。在 SEPIC 设计中，以 3.3V 电源供电时，每个输出在高达 630mA 电流可产生 5V 电压；而采用 4 节碱性电池供电时，每个输出在 360mA 电流可产生 5V 电压。LT3471 采用扁平（0.75mm）10 引线 3mm 3mm DFN 封装，为大电流双升压/负输出应用提供最小的解决方案。美国德州仪器（TI）2000年推出的高效率同步式DC/DC转换器，支持使用一个锂电池、使用两个或是三个镍镉电池、镍氢电池或是碱性电池的应用产品。此外，即使在负载电流很低的情形下，此芯片也可提供96%的绝佳电源转换效率，因此特别适合使用低核心电压的低功耗数字信号处理器（DSPs）的应用。在许多应用产品中都采用了这样的的DSP。为了使电池漏电减到最少并且延长电池的使用寿命，TPS6101x系列的静态电流小于50mA，待命模式的消耗电流更小于1mA。此外，通过由PWM模式切换成PFM模式，此芯片还可在低负载的情形下使用省电工作模式让芯片继续维持较高的转换效率。TPS6101x系列还提供了可编程的输出放电功能，可以在必要的时候加快输出电容器的放电速度。除了固定六颗输出电压的芯片之外，TPS6101x家族还包含了一颗可编程的电压转换器，可以产生1.5V 3.3V之间的输出电压，因此适合利用一颗电池来供应DSP或是其它处理器所需要的核心电压。在0.8V的电源下，这个系列组件也拥有100mA的最小输出电流。（2）国内台湾地区的电源管理IC供应商已超过20余家。由于进入市场相对较晚，且缺乏模拟芯片的设计经验，他们最初所供应的产品只是低端但量大的线性稳压器件。随着技术的积累，他们已能提供技术难度相对较高的PWM控制IC和MOSFET，应用领域也从PC扩大到了消费电子，并正在进入通信设备市场。从目前来看，台湾地区前7家电源IC供应商包括立锜、富鼎先进、茂达、安茂微电子、致新、沛亨与崇贸等，这7家公司在2004年的营收之和约为3.06亿美元，占全球电源管理市场的5.5%。与他 们在2003年2.46亿美元的营收之和相比，成长了24.4%，可见这些公司正在高速成长当中。其中，前三大厂商分别为立锜科技、富鼎先进和茂达，他们在2004年的营收都超过了5,800万美元。表11 台湾地区主要电源供应商2003年营收2004年营收主要产品技术领域立锜(Richtek)6,5787,330线性稳压IC、PWM IC富鼎先进(Apower)4,9506,610功率MOSFET茂达(Anpec)4,5165,833线性稳压IC、功率MOSFET安茂(AME)2,4412,771线性稳压IC致新(GMT)1,6412,729线性稳压IC、功率MOSFET沛亨(AIC)2,7722,673线性稳压IC、PWM IC崇贸(SG)*1,3722,124AC/DC单位：万美元 *崇贸的营收仅为其电源芯片产品的营收 资料来源：各公司、拓埔产业研究所2005年3月大陆地区，中电科技集团公司24所、43所,航天771所等单位是国内高密度(高集成)、高效率、高性能、大功率、宽工作温度范围和高可靠模块电源和混合集成电源行业的先驱者。它们研制的混合集成电源已应用于通信等领域。中电科技集团公司24所在研制模块和混合集成电源方面积累了丰富的经验,具有较好的平台,已具备研制开发开关电源核心器件的能力。1.4 开关电源的前景和发展方向(1) 高效对于便携式电源管理，效率尤为重要。因为便携式应用大多由电池驱动，高效率、低损耗的电源转换与管理就显得相当重要。随着处理器内核的工作电压由2.1V 降到1.8V，需要一个高效率的降压切换式稳压器提供电源支持。提高电源效率还意味着降低睡眠状态电流和工作电流，由于便携式设备大多数情况下处于待机状态，如能在轻载时提高效率，便能延长电池寿命，更能发挥节电作用。(2) 低功耗，随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制E; 市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。为了满足在同等芯片尺寸内，晶体管的尺寸越来越小，工作电压越来越低，而工作频率越来越高的需求，市场对低电压、高精度、低噪声的电源管理芯片的需求不断增加。(3)高集成便携式应用的板级空间十分有限，这就迫使电源工厂商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合且小体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效能与可靠度。现在，便携式应用越来越强调系统级效率。(4)多功能今年初，美国国家半导体公司宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供稳定供电的电源管理产品。它具有可编程的灵活性，可为采用ARM 技术的应用及通信处理器提供稳定的供电。它的电源管理单元FlexPMU是一个单芯片的解决方案，设有12个集成在一起的供电区。1.5 本论文章节安排以及主要内容本文设计和分析了一款应用于电源管理芯片中误差放大器电路模块。第一章介绍了电源管理芯片中开关电源的控制方式以及其发展现状和趋势。第二章针对DCDC转换器的应用需求，对其中误差放大器模块的各参数性能进行了详细分析。第三章分别从器件工艺和电路结构两方面阐述了误差放大器的设计思路，并结合前章误差放大器性能要求，对差分输入，中间级的各设计方案进行了比较，最后，提出一种新颖的交叉耦合结构作为折叠共源共栅的负载，改善了电路的瞬态响应性能。第四章提出一种应用于电源管理芯片中的高性能误差放大器。并应用Hspice仿真软件对其不同电源电压，不同温度，不同模型下的直流性能（共模输入范围，差模输入范围），交流性能（增益，相位裕度，CMRR，PSRR），瞬态响应（延迟时间，转换速率）进行了仿真，仿真结果达到了预期性能指标。2 误差放大器2.1 误差放大器工作原理 由前对开关电源工作原理可知，采用动态电源电压技术进行系统功耗管理，在电路级可以使用脉冲调制宽度（PWM）技术实现，其中对PWM脉宽调节即需要高性能的误差放大器。在PWM芯片中，误差放大器将精密温度补偿基准电压和PWM输出采样电压进行比较，放大输出正比于基准电压和输出电压的差值，控制后级电路完成PWM脉宽调节，使输出电压稳定在设定的稳定值上。图21 PWM工作原理图2.2 误差放大器主要参数2.2.1 直流精确度影响直流精确度的主要参数有：（1）输入失调电压。它是差分输入级晶体管失配产生的结果。其定义为： 在开环电路中直流输出电压为零时, 输入端所施加的直流电压。放大器将它和信号一起放大, 和输入失调电压的温度系数是产生直流误差的主要因素。（2）输入偏置电流 。它是为使晶体管正常工作必须提供的偏置电流。在直流反相和非反相放大器中，偏置电流能导致在形成反馈网络的电阻上产生不期望的电压降。（3）开环电压增益( 大信号电压增益) 。一个理想运放的开环电压增益应该是无限大,实际运放的是有限的,在计算时有限的也会带来附加的直流误差项，应越大越好。（4）共模抑制比CMRR。它被定义为共模输入电压的单位变化引起的输入失调电压。即: CMRR = , 通常用分贝(dB) 来表示。（5）电源抑制比PSRR如果假设电源供应电压是恒定的，则放大器输出电压仅取决于差分及共模的输入电压。然而，在实际中电源供应电压并不是恒定的，在电源电压上的变化将影响放大器输出。如图所示为带有变化的电源电压的放大器框图。在正向和负相的电源上有小信号变化，分别是和。图22 有电源变化的运算放大器结构框图产生的小信号输出电压是 （21）其中 2.2.2 噪声运放中会产生电压噪声和电流噪声, 通常以电压噪声为主, 电流噪声较小。电压噪声是由器件中的热噪声引起的, 是由电子的随机运动引起的，不受直流电流的影响。热噪声通常用其均方值表示: （22）式中波兹曼常数k = 1. 38 1023J / K , T 为器件的绝对温度 (K) 在室温下，4kT1.661020VC2.2.3 速度参数速度参数用运放的带宽和转换速率S R来表示。高速运放的带宽(增益带宽积) 要求大于6MHz 。S R 定义为单位时间内最大输出电压的变化, 单位为V / s , 通常器件要提高速度,就必须增加功耗。2.2.4 低电压低电压运放可以在V CC 3V 条件下工作, 使用时应该保证输入电压不得超过运放的共模输入电压范围。2.2.5 低功率低功率运放的静态电流不得超过500A 。此电流的定义为在无负载条件下、即输出端不流入也不流出电流时的电源电流。2.3. 本课题误差放大器性能要求2.3.1 电压范围由于电源电压由单节或双节锂电池提供（VDD在2.65V到8V），即误差放大器要同时满足低电压（最低电压低于2.7V）和宽电压范围（电源电压大于5V）的要求。2.3.2 增益误差放大器应用于电压反馈环路中，因此误差放大器必须实现低失真，良好的线性和准确度以及其他受反馈影响的特性，这便要求误差放大器在有用的带宽范围内有较高的增益。2.3.3 功耗在电池供电型设备中，供电时间和工作效率是重要的电气特性，这就要求电路的功耗较小。从误差放大器电路结构方面考虑，即静态电流是至关重要的设计依据。2.3.4 精度精度的大小会对系统的极限动态范围有所限制。影响精度的因素包括噪声和失调。这就要求误差放大器失调电压小，相对温度漂移的变化小，以及共模抑制比（CMRR）大，电源抑制比（PSRR）大，以及选用低噪声器件和结构。2.3.5 速率信号在经过误差放大器时会不可避免的产生时延，但开关电源仅在有限的时钟周期内工作，否则就会产生紊乱。所以，在误差放大器电路中，必须使延时尽可能小。然而，在误差放大器这么多重要参数之间的大多数都会互相牵制，这导致设计变成一个多维优化的问题。图23 模拟电路设计八边形法则在设计误差放大器的过程中必须要折衷选择，才能得到一个较佳的方案。但由于此课题设计的是开关电源内部集成的误差放大器，其负载一般为容性负载，即中等电容和/或大电阻，即不需要很强的输出驱动能力，因此本课题所要求的误差放大器的增益、失调只要满足中等水平就可以完全满足要求了。而且，此芯片内部最高工作频率为550kHz，因此对运算放大器的频率响应要求较低。2.4 本课题误差放大器性能指标小结表21 误差放大器性能指标开环增益增益带宽相位裕度共模输入范围较大的输入范围CMRR（共模抑制比）PSRR（电源抑制比）转换速率（SR）3 误差放大器设计思路3.1 从工艺选择的角度目前运用最普遍的是CMOS工艺和互补双极型工艺，采用这两种工艺设计误差放大器都各有优缺点。通常而言：当设计时着重考虑低电压，低功耗，低成本和小型化封装等特性时，选用CMOS工艺。当设计着重考虑高开环增益，高速，噪声，低失调电压和温度漂移等特性时，选用双极型晶体管。3.1.1 跨导通常，跨导越大，负载能力越强。跨导的定义为输出电流随着输出电压变化的比率，它用以描述器件驱动负载的能力，它能够决定期间如何快速地对输出端的并联电容（寄生电容）充电。（1）双极器件：根据Gummel and Poon 模型BJT跨导： （31）共发射级BJT的输出电流可写为： ：饱和电流 （32）由此可得到: （33）用作为归一化电流，热电压作为归一化电压（3-2）变为 （34）和分别用来表示两个归一化量，用表示跨导归一化通过方程（34）变为： （35）即BJT归一化跨导的对数图与归一化输出电流关系是一直线，且斜率为一。（2）MOSFET器件MOSFET的饱和区漏电流是： （36）所以MOSFET跨导为: （37）归一化MOSFET的输出电流和跨导，再一次用符号和表示归一化变量。从（3-6）首先得到: （3-8）和分别是归一化的输入和阈值电压从方程（3-7）得到: （3-9）联合方程（3-8）和（3-9），得到: （3-10）即MOSFET的跨导与漏电流的平方根成正比，斜率是BJT的一半。所以，在较宽的工作范围内，BJT的跨导远大于MOSFET跨导。3.1.2 速度同理因双极器件的大跨导特性，在高负载条件下能实现大电流驱动而降低器件内部逻辑摆幅，而在大电容负载时，双极器件的导通延迟比负载延迟小得多。3.1.3 失调电压通常是失配导致放大器的非零的输入失调电压。输入失调电压是用来驱动输出为零的差分输入电压。未修饰的单片运算放大器，该失调量典型值对于双极型输入设备为0.12mV，对于MOS输入设备为120mV。3.1.4 温度漂移失调电压随温度的变化量，称为温漂。在多数的实际电路中，失调电压对于温度变化的敏感度不是零，温度漂移越大，失调电压所引起的性能下降也就越大。温漂： （3-11）3.1.5 噪声（1）双极型晶体管在双极型晶体管的正相导通区，少子移动流过基区而被集电结收集。进入集电极耗尽区的少数载流子被该处的电场加速，通过该区进入集电极。扩散（或漂流）载流子到达集电结的时间可视为随即过程，所以晶体管集电极电流由一系列的随机电流脉冲组成，代表全部的冲击噪声。晶体管基极电阻和集电极串联电阻则会产生热噪声，但通常被忽略。（2）MOS晶体管由于MOS晶体管栅极下的沟道电阻随栅源电压变化，所以漏极电流是由栅漏电压控制的。沟道电阻产生的热噪声即是MOS管的主要噪声来源。另一个MOS管中的噪声源是闪烁噪声，是因为MOS管的导体电流靠近硅表面，表面的部分负责捕捉和释放载流子，这样，器件的闪烁噪声可能非常的大。噪声： (3-12)其中：漏极偏置电流 给定器件常数 0.52的常数 器件在工作点的跨导MOS管的另一个噪声源是由栅极漏电流引起的冲击噪声，而因为栅极直流电流小于，所以噪声电流通常很小。3.2 工艺选择小结表31 Bipolar vs. CMOSBipolarCMOS优点高晶体管增益极低输入偏置电流带宽大开关功耗小小器件极好匹配性能能对较小消停电流关闭对给定器件大小有较低噪声容易集成全数字电路比如DSP缺点输入偏置电流较高较低晶体管增益如果需要数字逻辑，需要较大电流，但速度较大带宽较大晶体管饱和问题（非SOI工艺中）小器件匹配性能较差较大噪声可见无论是单一的CMOS，还是单一的双极技术都无法满足VLSI系统多方面性能的要求2，因此融合了两种技术优势的新技术BiCMOS器件及其电路便是VLSI发展的必然产物。BiCMOS（Bipolar CMOS）是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。经研究表明，BiCMOS电路（如门电路、连线逻辑、SRAM等）的功耗在工作频率0.1 GHZ下比CMOS电路增大约10倍以上，但其平均传输延迟时间却比CMOS约小9倍左右，这样BiCMOS与CMOS的功耗一延迟积仍然维持在同一个数量级上。这是新型的BiCMOS电路在低压、功耗和传输延迟3个性能指标上调和、折衷和互补的结果。3.3 从电路选择的角度3.3.1 输入级的选择差分电路具有较好的元件匹配性能，较稳定的直流工作点，能对两个输入端的信号之差进行放大，而对两个输入端的共模输入信号有很好的抑制作用，并且具有漂移小，级与级之间容易耦合的优点。差分输入级作用：误差放大器的输入级设计非常重要，因为它决定误差放大器的多数关键参数，包括输入偏置电流，输入失调电压，失调电压温漂，电压增益和共模抑制比。（1）差分输入级的直流传输特性：如图所示是一个基本共射差分放大电路。它由两个特性相同的BJT Q1、Q2组成对称电路，电路参数也对称，即RC1=RC2=RC等。两管的发射极连接在一起并接恒流源ISS，恒流源的交流电阻很大，在理想情况下为无穷大。图31 基本共射差分对差分对的大信号特性非常重要，它限定了输入电压的范围（差模输入电压）。在输入回路，由KVL有： （3-13）由埃伯斯莫尔模型，得到： （3-14） （3-15）当就晶体管Q1，Q2参数相同时，由（3-13）（3-14）（3-15），可以得到： （3-16） 其中假定由于晶体管相同，故，在晶体管射级由KVL，得： （3-17）联立（3-16）（3-17） （3-18） （3-19）即，如图所示：图32 共射差模输入范围当大于3时，其中一个晶体管截止，而所有电流流向另一个晶体管，即：双极型共射差分对的差模输入范围约为。晶体管输出电压： （3-20） （3-21）差分输出电压为两晶体管输出电压之差，定义为 （3-22）由此可知，如果Q1，Q2相同，输入信号电压(Vid=Vi1Vi2)为零时，输出电压Vod也为零。这一特性使得串接的各级可以直接耦合，且无失调。同理，由MOS管构成的共源差分对也由同样直流传输特性。图33 基本共源差分对图34 基本共源差分对差模输入范围 （3-23）当 （3-24）所有的电流就流经一个晶体管，而另一晶体管截止。即是电路可以处理的最大差模输入。同时，因为 （3-25）即：过驱动电压等于, 所以过驱动的电压影响着差分对的差模输入范围。如果要使电路线性更好，可以增加输入对管的过驱动电压。（2）差分输入级的小信号分析：图35 基本差分输入级a.双端输入、双端输出的差模电压增益：当在电路的两个输入端各加一个大小相等、极性相反的信号电压，即Vi1=Vi2=Vid/2时，一管电流将增加，另一管电流则减小，所以输出信号电压VOUT=VC1VC20，即在两输出端间有信号电压输出。Vid=Vi1Vi2就是差模信号。这种输入方式称为差模输入。图36 基本差分放大电路的交流通路当从两管集电极作双端输出时，其差模电压增益与单管放大电路的电压增益相同，即： （3-26）当集电极c1、c2两点间接入负载电阻RL时： （3-27）这是因为输入差模信号时，c1和c2点的电位向相反的方向变化，一边增量为正，另一边增量为负，并且大小相等，可见负载电阻RL的中点是交流地电位，所以在差分输入的半边等效电路中，负载电阻是RL/2 。b. 双端输入、双端输出的共模电压增益：图37 基本差分放大电路在共模输入时的交流通路当图3-7所示电路的两个输入端接入输入电压，即Vi1=Vi2=Vic时，因两管的电流或是同时增加，或是同时减小，因此有ve=iero=2ie1ro，即对每管而言，相当于射极接了2ro的电阻，其交流通路如图 所示。当从两管集电极输出时，由于电路的对称性，其输出电压为voc=voc1voc20，其双端输出的共模电压增益为： （3-28）但只有在理想对称的差分放大器中，每边的输出值都等于另外一边的输出值，即，输入是理想的差模电压的时候（）输出是理想的差模形式的电压（）。但是，即使在理想对称的差分放大器中，也不可能做到0。因此，的比值就是衡量差分放大器性能的一个重要参量。这个比值定义为共模抑制比CMRR： （3-30）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CMRR值越大越好。共模抑制比常常用分贝（dB）数来表示： （3-31）事实上，在多级差分放大器中，第一级的共模输入差模输出增益对最终CMRR值起了决定性的作用。共射差分对的CMRR：令共射差分对跨导为 （3-32）可知：则： （3-33）将（3-32）（3-33）代入（3-29），得到共射差分对共模抑制比为： （3-34） 共源差分对的CMRR：令共源差分对跨导为 （3-35）可知则： （3-36）将（3-35）（3-36）代入（3-29），得到共源差分对共模抑制比为： （3-37）由（20）（23）可得到，增大可以增大。（3）差分输入级的不匹配效应：零点漂移所谓零点漂移（简称零漂），就是当放大电路的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。在直接耦合多级放大电路中，当第一级放大电路的Q点由于某种原因（如温度变化）而稍有偏移时，第一级的输出电压将发生微小的变化，这种缓慢的微小变化就会逐级被放大，致使放大电路的输出端产生较大的漂移电压。当漂移电压的大小可以和有效信号电压相比时，就会无法分辨是有效信号还是漂移电压，严重时漂移电压甚至把有效信号电压淹没了，使放大电路无法正常工作。在差分电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性和恒流源偏置，在理想情况下，可使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。当然，在实际情况下，要做到两管电路完全对称和理想恒流源是比较困难的，但是输出漂移电压将大为减小。由于这个缘故，所以差分放大电路特别适用于做多级直接耦合放大电路的输入级。（4）差分输入级的噪声误差放大器的输入参考噪声主要由输入级的差分对管决定。特别在需要大动态范围的应用中，噪声显得十分重要。MOSFET和双极型晶体管噪声比较：MOSFET的噪声包含两部分：第一部分是热噪声，第二部分是闪烁噪声，即噪声。从许多方面来看，MOSFET器件的热噪声等效于双极型晶体管的热噪声。但MOSFET的噪声远大于双极型晶体管的噪声。由于噪声和频率成反比，所以：在低频时，噪声比较重要。在高频时，热噪声比较重要。以共源差分对为例，分析差分对中的噪声。图38 共源差动对噪声MOS晶体管的最大的热噪声源是沟道电阻，其谱密度为： （3-38）输出噪声电压为： （3-39）于是，输入对管M1、M2输出噪声电压