（微电子学与固体电子学专业论文）伴随运算放大器.pdf

伴随运算放大器研究 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f i c c h i p f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g i e s a n d c i r c u i t d e s i g n t e c h n o l o g i e s , p e o p l e a r e m o r e a n d m o r e i n t e r e s t e d i n c u r r e n t m o d e c i r c u i t . i n v o l t a g e m o d e c i r c u i t , i n t e g r a t e d o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r h a s a l r e a d y b e c o m e a v e ry i m p o r t a n t b a s i c u n i t , b u t d u e t o l i m i t a t i o n s l i k e n a r r o w b a n d w i d t h e t c . i t i s n o w a b o t t l e n e c k f o r i c c o m p o n e n t s d e v e l o p m e n t . wh i l e c u r r e n t m o d e c i r c u i t d e m o n s t r a t e s u n i q u e a d v a n t a g e s i n s o l v i n g th e a b o v e - m e n t i o n e d p r o b l e m s . s t a r ti n g fr o m c u r r e n t c o n v e y o r c c i , c c 2 , t h e a r t i c l e s t u d i e s a d j o i n o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r u s i n g t h e t h e o r y o f a d j o in n e t w o r k s u g g e s t s t h e a p p l i c a t i o n o f t r a n s r e s i s t a n c e a m p l i f i e r a n d t r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r i n c mo s a d j o i n o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r . t h e l i n e a r r a n g e i s l e s s t h a n 士 4 0 n a . t h e o p e n l o o p g a i n i s 7 9 d b . t h e o d b b a n d w i d t h o f i n v e r s e o u tp u t t e r m i n a l i s 3 0 mh z a n d t h e o d b b a n d w i d t h o f n o n - i n v e r s e o u t p u t t e r m in a l i s 4 0 m h z r e s p e c t i v e l y . t h e p h a s e m a r g i n i s m o r e t h a n 4 6 0 a t o d b b a n d w i d t h . i n n e g a t i v e f e e d b a c k a p p l i c a t i o n , t h e i n p u t t e r m i n a l o f c u r r e n t o p e r a t i o n a l a m p l i fi e r p r e s e n t s t h e c h a r a c t e r o f v i r tu a l g r o u n d a n d t h e c u r r e n t p a s s t h r o u g h t h e i n p u t t e r m i n a l i s n e g l i g i b l e . t h e a r t i c l e a l s o s u g g e s t s a s i m p l e m a c r o m o d e l o f a d j o i n o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r a n d a n a l y s e s t h e m o d e l s i n p u t r e s i s t a n c e , o u t p u t r e s i s t a n c e a n d g a i n u n d e r n e g a t i v e f e e d b a c k a p p l i c a t i o n . t h e a n a l y s i s r e s u l t p r o v e s t h e a u th o r s i n i t i a l a s s u m p t i o n . f i n a l l y , t h e a r t i c l e d i s c u s s e s t h e r e p l a c e m e n t o f v o l t a g e m o d e a m p l i f i e r i n b u t t e r w o r th l o w p a s s f i l t e r w i t h a d j o i n o p e r a t i o n a l a m p l i fi e r , t h u s a n e w t y p e o f l o w p a s s f i l t e r i s f o r m e d . s i m u l a t e d b y p s p i c e , i t s a m p l i t u d e fr e q u e n c y f e a t u r e s i s c o m p l e t e l y t h e s a m e w i t h t h e v o l t a g e m o d e a m p l i f i e r . k e y w o r d s : c u r r e n t c o n v e y o r , a d j o i n n e t w o r k , a d j o in o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r , l o w p a s s f i l t e r t i l , 伴随运算放大器研究 前言 在电子学发展的历史上，以电压为参数的电压模电路一直占据统治地位，而从事电子技术 的广大科技人员也习惯用电压模电路去处理各种模拟信号。例如，如今随处可见的电压模的集 成运算放大器，连电流放大器也是用电压放大器来实现的。相比之下，以电流为参数的电流模 电路见到的却不多，其实，电子的流动的直接结果是形成电流，而电流是在电阻上有压降才形 成电压的。所以自 然界中的电流量很常见，就构成电子学基础的真空电子管、场效应晶体管和 双极型晶体管也都是电流输出器件。 随着v l s i 技术的发展，电流模电路的研究在近几年迅速兴起，并取得惊人的进展。与数 字电 路的门 阵 列g a ( g a t e a r r a y ) 和 现场可编程门 阵 列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 相对应，以跨导 运算放大器( o t a ) 为 积木块的 模拟阵列a a ( a n a l o g a r r a y ) 和现场可编程模拟阵 列f p a a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e a n a l o g a r r a y ) 的 研究已 取得实质性进展。 o t a - c 连续时间 滤波 器在模拟集成滤波器中占有重要地位，开关电流滤波器有望成为开关电容滤波器的替代者，电 流模a / d 和电 流模神经网络计算机的 研究成果令人兴奋， 所有这些，都预示着电流模式 模拟信号处理和电流模 工 c 设计技术的热潮己 经到来。其实，早在1 9 8 9 年， “ 电流模式信号处 理”专题就己 经列入了工 e e e 电路与系统国际会议，成为模拟信号处理的重点研究方向 之一。 无庸置疑，在不久的将来，电流模电路必将改变目 前电 压模电 路统治模拟信号处理领域的局 面，形成电流模与电压模优势互补、共存共荣的新格局。 电 压模电路研究己 经达到了比 较成熟的阶段，比 如在现在的电子电路中，基于电压模电路 的集成运算放大器已随处可见。但随着us i 技术的出现和发展，电流模电路逐步引起了业内 人士的兴趣。越来越多的专业人员已开始了对电流模电路作更深入的研究，且已取得了一定的 进展。电 压模电路处理的是电压信号，顾名思义，电流模电 路处理的是电 流信号，与电 压模电 路相比，具有如下的优越性: 良 好的高频性能一在电流放大器中，放大级的输出接低阻抗节点，共射组态晶体管的 电 流 增 益 p 直 到 频 率 等 于 .f : 才 下 降 到1 。 而 共 射 组 态 的 电 压 放 大 器 有 密 勒 效 应 ，晶 体 管 的 基 极 于 集电 极 之间 的 电 容 等 效 成 基 极 于 地 之 间 的 电 容 之 后， 其 值 等 于 原 值的( i 一 a; ) 倍，a。 是集电极于基极间的电压增益，所以等效密勒电容较大，影响了放大器宽带能力。场效应管的 共源放大器与此类似。 z i a遭目.明盼1索 - , 伴随运算放大器研究 适 合 于 低 压 工 作 一 双 极 晶 体 管 的 集电 极 电 流i : 与 基 一 射电 压fb e 的 指 数 成 正 比 1 , 每 增 大1 0 倍 ， 玖才 增 加6 0 m v ， 所以 很 小 的 激 励 电 压 即 可 得 到 很 大 的 输 出 电 流 摆 m fq另 一 方面，电流模电路的输出接低阻抗节点，即使输出电流的动态范围很大，负载上的压降仍然不 大，所以能在较低的电源电压下工作。 动 态 范 围 大 一 双 极 型 晶 体 管 的 基 本 关 系 式 1 , = ,6 j , 在 电 流 变 化 数 个 数 量 级 时 都 能 很 好 地成立，而且由于负载低，勿需在加大信号动态范围的同时相应地加大供电电压，所以电流模 电路的动态范围比电压模电路大的多。 适合于并行运算一人工神经网络，或神经计算机，是人们试图模仿人类大脑功能的新 一代计算机.神经计算机的实现有两种方式: 一是从神经网络模型出发， 用可编程处理器阵列 实现; 一是用专业的硬件实现.后者要比前者快一个数量级， 所以人们更集中于专用神经网络 硬件的研究于开发 然而， 所有这些都要求用us i 进行大规模的并行处理。对神经网络来说， 电流模式远比电压模式优越。 这不仅是因为许多神经功能自 然地涉及到电流而不是电 压，另一 方面是在电路中，电 流求和非常简单，因而电 流模电路更适合于大规模并行处理。 此外，电流模电 路还具有电 压模电路不具备的奇特的特点。例如:电 压放大器的带宽与电 压增益有关，单极点放大器的带宽增益积等于常数，而电流反馈运算放大器的带宽基本与增益 无关。 用开关电流积分器或开关电流微分器综合滤波器时电路比较简单，芯片面积小，电流模 a / d 的转换速度较高等等.这些都是电流模电路的优点.下面，我们先从电压模电路与电流模 电路的比较开始，从而提出伴随运放的概念。 伴随运算放大器研究 一电流模电路 1 . 1 电 流传输器 电流传输器是电流模模拟信号处理领域中最基本的部件之一，第一代电流传输器是在 1 9 6 8 年由加拿大多伦多大学的k . c . s m i t h 等提出来的，简称c c i o 1 9 7 9 年，他们又提出了第 二代电流传输器，简称c c 2 。下面分别给于简单介绍: 1 . 2 第一代电流传输器( c c 1 ) 第一代电流传输器是一个三端器件，它的符号如图1 - 1 所示。它有两个电流输入端和一个 电流输出端，端口分别用不 y 和z 表示，端口电压和电流的关系用式( 1 - 1 ) 表示: ( i 一 了 夕 万j xlij 了少1+一 -一-一 ivi 产1一、 图 1 - 1 c c l 符号 在 图 中 ， 若 1 : 一 + i x ， 则 称 为c c 1 + ， 若 i : 二 一 i ,r ， 则 称 为c c l 一如 图 中 的 符 号 表 示 ， 若 i z 和 i 、 都 向 里 或 都 向 外 流 ， 则 代 表c c l + ， 若 i : 和 i ， 的 电 流 方 向 不 一 致 。 则 代 表c c 1 - o c c l 早期主要应用于负阻抗变换器( n i c和替代基于h a l l 效应的示波器电流探针，作为宽带电流量 检测器件。其应用范围有限。 1 . 3第二代电流传输器( c c 2 ) 为增加电流传输器c c l 的通用性，提出了没有电流流入 y 端的第二代电流传输器 ( 见图 1 - 2 )。其电 路符号同c c l ，但其特性由 式( 1 - 2 ) 来表示。与c c l 不同之处是:c c 2 的y 端的输 入电流为0 ，即输入阻抗为无穷大。x 端口电压跟随加于 y 端口的电压，因而x 端口 呈现零输 图 1 - 2 c c 2符号 盯 百臼 卫 山 . . . . .r压 伴随运算放大器研究 入阻抗。其输入，输出端口关系式若式( 1 - 2 ) : = vx 士 了x ( 1 - 2 ) yyz r了v了 十牙一 其等效电路如下图 ( 图 1 - 3 a )，对于c c 2 - , x 端的电流向里流，z 端电流向外流， 此时 的等效电路可以省去 c c c s ( 电流控制电流源) 。简化如图( 图 1 - 3 b ) t ; r 图 1 - 3 a c c 2等效电路 图1 - 3 b 简化c c 2等效电路 图 1 - 3 c c 2 等效电路 1 . 4 一个c c 2电 流传输器的电 路的实现 如 图 1 - 4 所 示 ， m, 、 m 和 运 放a 组 成 一 个 复 合 放 大 器 ， 它 的 输 出 b 端 与 反 相 输 入 端 接 成负反馈。如果运放是理想的，则x 和 y 端的电位相等。y 端输入电流为0 , x 端的输入电流 全 部 流 入 m:和 mz 的 源 极 节 点 ，当 i 二 向 里 流 入 时 ， 该 电 流 全 部 流 入 m ， 并 经 m3 ， m; 组 成 的 电 流 镜 ， 得 到 与 i * 等 值 的 输 出 电 流 h 0 i : 方 向 也 是 向 里 流 。 同 理 i ， 向 外 流 时 ， i : 的 值 等 于 i x ， 方 向 向 外 流 ， 所以 该电 路 满 足 式( 1 - 2 ) 。 电 路 为c c 2 +。 图 1 - a c c 2 + 电路 图 1 - s c c 2 一 电路 . 袋j . . . . 拍 . . .幻 户 伴随运算放大器研究 图1 - 5 是c c 2 一 的原理图，它比图1 - 4 多了两个互补的电流镜，以把图1 - 4 中的输出电流 极 性 反 过 来 。 为 了 满 足 i ， 一 。 的 要 求 ， 图1 - 4 和 图1 - 5 中 都 使 用 了 电 压 模 的 集 成 运 放 ， 所 以 都 不是完全的电流模电路。它们的高频特性主要决定于运放，因而不具 备电流模电路的宽带能 力。 1 . 5 c c 2 的应用 从目 前己发表的文章表明，和c c 1 相比，电流传输器c c 2 有较为广泛的应用，c c 2 在实 现受控源，阻抗变换器，阻抗逆变器，回转器及各种模拟计算元件中可以代替电压模集成运放 得到应用。下面就举几个例子作一说明: ( 1 ) . 电流放大器 由c c 2组成电流放大器如图 1 - 6所示。 、一 由c c 2的性质和( 1 - 2 ) 式有: =y ， =i， r i， ”v x r , = vi 所以有: 图 1 - 6电流放大器 ( 1 - 3 ) 儿凡 蜒石 ( 2 ) . 电流微分器 电流微分器如图1 - 7 所示，它与图1 - 6 的区别是用电容c 1 代替了电阻r 2 。将 r z =二一 s c 代入式( 1 - 3 ) ，得到s 域的传输函数: h( s ) = f - - -州 to 不，i l -十艺 卜一孟 个!八 lleseso jl. r 占， s r, c 占一5 1一1 输出电流的时域表达式为 图 1 - 7电流微分器 do = r c d j , ( 些 d t 伴随运算放大器研究 ( 3 ) . 电流积分器 如 图 1 - 8 所 述 ， 令 式( 1 - 3 ) 中 的 尸 ， 二 * ， 刀 一 毛， 得 到 下 述 的 传 输 函 数 : “ ，s ( - h ( s ) =i o ( s )1 .(s) l s rc 输出电流的时域表达式为: i ( t ) = rc ( t ) c t t 图 1 - 8电流积分器 ( 4 ) .加权电流加法器 如图 1 - 9 所示，因为y 端接地，所以x 端是虚地，各个输入电流可以独立相加。得到: 了二 乙-刀 艺川 i o = 大= 图 1 - 9加权电流加法器 ( 5 ) .负变换器 负变换器的电路如图1 - 1 0 所示，它由两个 c c 2 一 组成，其功能是得到负电阻、负电感或负 电容。 由式( 1 - 2 ) 和( 1 - 3 ) 得知: v; = 一 i 一 i ; r 1z = i , = i , = 一 瓮 v 2 = i , z 得知输入阻抗为: 图 1 - 1 0负变换器 语 愁 鲡1 伴随运算放大器研究 r,2 r2 z 当所接的负载是电阻时，即2= r ， 则可等效成负电阻，阻值为: r. - r r, 1 r 当 所 接 负 载 为 电 容 时 ， 即 z 一 奥， 则 可 等 效 成 负 电 感 ， 等 效 电 感 量 为 : s c l ., = 一 r r , c 当所接负载为电感时，即z= s l ， 则可等效成负电容，等效电容量为: _l c 。 =- 式 1 1 八 ， 小结:如前所述，c c 2 电流传输器的一个重要特性是在阻抗悬殊的两个端口( x 端和z 端) 之间 进行电 流传输的能刀。它比c c l 更有用，从目 前己 经发表的文献表明，对于目 前几乎所有已知 的有源网络组件都可以用c c 2 来实现。但和电压模电路相比 较，电流传输器的 特性在于其开环 电 流增益恒为1 。这种电流传输器的应用环境仍然有一定的局限性。如无法组成电压放大器， 无法实现基于电压的各种运算等。这种电路对于完全替代电 压模电 路还有一定困难。我们能找 到基于电流模的电路，从而所有环境下可以取代电压运算放大器，增加我们应用中的灵活性。 下面我们从伴随网络开始去研究我们的设想的可行性。 s. 4 海心月臼日.肠l . . a, 伴随运算放大器研究 二.电压模电路模型 电压模电路最常见的就是我们平常所说的集成运算放大器，为了在后面的进一步比较分析 中比较方便地使用，在此简单地介绍一下其宏模型如图2 - 1 所示，该图已清楚地表明了开环时 误差来源。电 压模电路及应用在此不在赘述。 图2 - 1 电压模运放宏棋型 其中: 差模输入电阻 输入端电容 两端分别对地电容 输出电阻 凡疏公ro= a d : 差 模电 压 地 益 i b l 和i b 2 是 输 入 电 流 v 。 是 输 入 失 调电 压 v 。 是 共 模 输 入电 压 v/ c m r r 是 共 模 抑 制 比 引 入 的 误 差 a v 和 v ， 代 表 正 ， 负 电 源 的 起 伏 a v 二 / n 4 v、 山 ，* 二 ， lh .i l l p i 、 ， 二、 ，外s r r 十 和 叮外s r r _ 是 电 源 电 压 抑 制 比 引 入 的 误 差 伴随运算放大器研究 三.伴随运放 3 . 1互易定理与伴随网络 对于一个电网络，在单一激励的情况下，若将它的激励和响应互换位置，网络的输入一 输 出传输函数不变，则称这个网络是互易的， 这就是互易定理。事实上，只有全由线性电阻组成 的网络是才是互易网络，而大部分的网络并非仅由纯电阻组成，所以并不是互易网络。但是， 对于 一 个给定的网络n( 如图3 - 1 )，总可以实现一个这样的网络n a ， 使得当把网络n 的激 励与响应互换时，用网络 n a 代替网络n ，可维持其传输函数与网络n的传输函数相同。则网 络 n a 称作网络 n 的伴随网络，这两个网络称为相互互易。网络 n a 称为网络n 的伴随网络。 图3 - 1 互易网络 构 造 互 易 网 络 的 原 则 是 : 原 网 络 输 入 电 压 激 励 源y * 转 换 成 伴 随 网 络 的 短 路 输 出 响 应 电 流1 - 1 ， 而 原 网 络 的 响 应 输出 电 压v o . ， 变 成 电 流 源 激 励 端口 。 在 伴 随 网 络 中 无 源 元 件电 阻 ， 电 容与原网络相同。这样就可以将一个具有无穷大输入阻抗， 零输出阻抗的电压放大器转变成具 有零输入阻抗，无穷大输出阻抗的电 流放大器。虽然电流放大器能以各种方式实现，但采用y 端接地的电流传输器可以实现高质量的电流放大器。 q o- 2 j 口 口 二 。1心 卜 es se -es es 一 i- 一 一 - 一 -; i o-一 v . . c . , 2 h n ， o- -一一石 多-0 ， r 才 。一 一 一一 - va一一 。召劝 r 丈。 一 - - 一 一 - 八 办 八， 一- 一 。2 c c 1一州卜 -一 - - 02 1。 一 一 - 一 月卜 . - 一一 一 。. 1 o- 一 一 -州 j 十 v 1 k劝 r l(d +了 ; 合-o 寸二 图3 - 2 互易网络信号的相互转换 险祀 血 、 刁 洛翻 臼 日 圈 目 已， 主 伴随运算放大器研究 3 . 2伴随运放 集成运放是电压模电路中应用最广泛的电子部件。若能找到与集成运放电路相应的伴随电 路，用作电流模电路的积木块，则能方便地把众多的电压模电路转换成电流模电路， 将集成电 压运放的模型运用到电流模运放中，从而可以利用电流模电路的众多优点解决许多具体的问 题。 依上述的伴随网络的定义， 我们就可以 将电 压运算放大器的伴随网络电路一伴随运放定义 和构造出来。 基于电压模集成运放是一个电压控制电压源，它由一个同相输入端、一个反相输入端和 一个输出端。理想电 压运放的输入电阻无穷大，输出电阻等于零，输出电压与输入电压的关系 为: vv = ,u ( v， 一 v, ) k 是开 环电 压增益， 其模型如图 ( 图3 - 3 a ) 所示。 如下图，根据理想电压的运放模型和由 上节我们所提到的伴随网络的概念定义出理想伴 随运放的 模型如图 ( 图3 - 3 6 ) 所示，它有一个电流输入端、一个同相电流输出端和一个反相 电 流输出端，输入电阻为零，输出电阻无穷大。同 相电流输出端和反相电流输出端的输出电流 分别由式 ( 3 - 1 )表示。 ( a ) 集成电压运放 ( b )伴随运放 图3 - 3 集成运放及其伴随运 一 p i , pi c 3 - i 夕 f-1- .j，1 o口 ii r!j!1、 显然，伴随运放和电流传输器的不同之处有: 以 二自 必 山 勿 臼 . . 日 .扎 1 ) . 伴随 运放的电 流 增 益 很大( 与 运 放的e b 奚磕丽可 伴随运算放大器研究 而电流传输器的电流增益恒等 于 1 ; 2 ) . 伴随运放有一个电流输入端和两个电流输出端，而电流传输器则相反，有一个电流输 出端和两个电流输入端。 此外，伴随运放与常见的电 流放大器也不同，一般的电流放大器只有一个电流输入端和 一个电流输出端，而伴随运放有极性相反的两个电流输出端。事实上理想的伴随运放是一种输 入电阻为零、输出电阻为无穷大的差动输出电流放大器。理想伴随运放是理想运放的伴随网 络，所以可以得出其以下特点: 1 ) .有一个电流输入端 2 ) .有两个电流输出端( 差动输出) 3 ) . 输 出 的 电 流 大 小 为: 同 相 端 几 = 可， 反 相 端1 , = k 1 4 ) .输入阻抗为0 ，输出阻抗为无穷大。 从其特点我们就可以看出，伴随运放可以把所有的使用电压模电路转换成电流模电路， 而电流传输器则不能。 3 . 3伴随运放的实现原理 双 极 晶 体 管 具 有 电 流 放 大 功 能 ， z , = q i , ， 所 以 是 实 现 伴 随 运 放 的 最 佳 选 择 。 但 是 ， 从 大 规模模集成系统设计需要来考虑， 用c m o s q - f n n事; p f if v _ ao o a _ .f* sa a ! , f u n 。二。、 冶 一卜卜刀 、 一孙认r ， 阴又小一 ， m , ,川 刚山 头优则义月息关。但 m 比 晶体管的栅极不取电流， 要用m o s 管实现电流放大，必须通过间接变换，即先把电 流变换成电 压，再把电 压变换成电流 来实现。在下面我们提出一个c m o s 伴随运放的实际电路的设计，通过用p s p 工 c e 模拟来验证其 性质。 下面就本设计作一详细说明: 1 ) . 跨阻放大级 如图 ( 3 - 4 )所示，跨阻放大级用来实现电流一电压变换。 如图由 是 电 流 输 入 端 ， 厂。 是 电 压 输 出 端 。 由 于m 3 - m 6 的 栅 极 没 有 电 流 通 过 ， m 1 - m 6 组 成 ， 图 中 大 给它们提供偏置电流 源 的 电 流 又 是 固 定 的 ， 流 入1 端 的 信 号 电 流 只 能 沿 着m 3 - m 6 组 成 的 环 路 流 动 ， 所 以 等 于 流 出 va 端的 电 流。 电 路 的 跨 阻 增 益 为 : 刀- v . ; /_ n , - l i ; = r d s - r , ,6 电路的输入电阻和输出电阻分别为: 1 1 )蜷 h :4自曰曰胜f 、 f u 伴随 运算放大器研究 i r = 9. 1 + s- r - r s a r , b ib l 毒 白乳 ibl j-勺1 11.山、-几松). 粼-行心 油一1 当!酬隘翻犷1! 伟 s 跨导放大级 时-引引州-级 1.母.声.招礴大 曰比1一放 !-跨 刁忧， 图3 一 伴随运放原理图 2 ) . 跨导放大级 跨导放大级用来实现电 压一电流变换。本设计的跨导放大级如图 ( 3 - 4 )，此电 路结构称 为差分浮动电流源，由n m o s 和p m o s 构成的差分对上下对接而成，输出电流是互补对称的。 i , = 一 1 02 ，电 路 的 跨 导 增 益为: a g 单端输出电阻为: r. = _ 9 . 7 + 9 . 8 2 r , 上 的 t r 等 于 输 入 电 流 i . 伴随运算放大器研究 而且输入端电位为零，故 l. ,r二 一 凡凡 得到的电流增益为: l o . ， re - i二r 山此可以看出这两个电路也具有相同的传输函数。 3 . 5 一个实际伴随运放的设计及p s p i c e 模拟及分析 将 3 . 3 伴随运放原理图中的电流源偏置用实际的电路实现，如图 3 - 8 我们就用电流镜来提 供 偏 置 进 行 模 拟， i o ， 端电 流 为 反 相 输出 端， i . , 端 是电 流同 相 输出 端。 阁|阳粼“ -1lo ms i m 3 e s 0 - mz m4 m1 5 i m1 b 图3 - 8一个实际的伴随运放 在 此电 路 中 ， 跨 阻 放大 级由 m, - m。 组 成， m, i - m2 ， 是 偏 置 电 路。 输 入 电 流i由 m3 和 m。 的 源 极 输 入 ， 因 为 m13 和 m 的 偏 置 相 同 ， 所 以 输 入 电 流 全 部 流 入 m5 和 mb ， 并 得到电压输出。电路的跨阻增益为: a ， 一 叼一 r d,5 /l r d,6 跨导 放 大 级由 m, - m,。 组 成， 跨 导 增 益 为 : 山 _ 石 泥 祖 日 . .侧 口 喃 伴随运算放大器研究 总的电流增益为 a二 a a r = ， 、 9。 士 g m 8 k r d ., 9 r d s 6 )。 输入电阻和输出电阻分别为 r . = r d s 7 1 1 r d e8 该电 路采用2 1x m 工艺设计， 器件尺寸见表3 - 1 : 表3 - 1 :器件沟道宽长比( 单位:u m ) m o sw / l m o sw am o sw / lm o sw / l m l , m 31 3 / 4m 7 , m 92 5 5 / 4 m1 31 8 / 3m 1 86 0 0 / 3 m 2 , m 41 0 / 3 m 81 7 5 / 8m 1 43 6 0 / 3m 1 9 , m 2 01 0 / 3 m 52 3 / 1 2m 1 01 7 0 / 8m 1 5 , m 1 61 5 / 3m 2 11 9 / 3 m 63 5 / 5 m l l , m 1 29 / 3 m 1 73 0 / 3 该伴随运放的p s p l c e 网表如表 3 - 2 : 表 3 - 2 p s i p c e网表 * s c h e m a t i c s n e t l i s t* e x t e r n a l o u t p u t t o - . e x t e r n a l o u t p u t i o + . e x t e r n a l i n p u t t i n $ n 0 0 0 8 $ n0 0 0 8 0 0 n w = 1 3 u l = 4 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n 0 0 1 0 $ n _ 0 0 1 0 0 0 p w = 1 0 u l = 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d - 1 4 u p s = 1 4 u $ n 0 0 0 9 $ n _ 0 0 0 8 t i n t i n n w = 1 3 u l = 4 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n 0 0 1 1 $ n 0 0 1 0 t i n t i n p w = 1 0 u l = 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n 0 0 0 2 0 $ n _ 0 0 0 9 $ n 00 0 9 p w = 2 3 u l = 1 2 u a d = 1 2 p a s = 1 2 1) p d = 1 4 u p s = 1 4 u mmimmz.渊一mm4.嫌. 1 6 n .,3 ti a 妞竺日幽 r . . u 伴随运算放大器研究 :一:) m - m 8 阴 m呀 m m1 0 m mi 1 m m1 2 m m1 3 m m1 4 m m 1 5 m m 1 6 m m 1 7 m m 1 8 m m1 9 m m 2 0 m m 2 1 $ n - 0 0 0 2 0 $ n _ 0 0 1 1 $ n 0 0 1 1 n w = 3 5 u l = 5 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = l 4 u p s = 1 4 u t o - $ n _ 0 0 0 2 $ n _ 0 0 0 1 $ n _ 0 0 0 1 p w = 2 5 5 u l = 4 u a d - 1 5 p a s = 1 5 p p d = 1 6 u p s - 1 6 u t o - $ n _ 0 0 0 2 $ n _ 0 0 0 3 $ n 0 0 0 3 n w = 1 7 5 u l = 8 u a d = 1 5 p a s = 1 5 p p d - 1 6 u p s = 1 6 u t o + 0 $ n _ 0 0 0 1 $ n _ 0 0 0 1 p w = 2 5 5 u l = 4 u a d = 1 5 p a s = 1 5 p p d - 1 6 u p s = 1 6 u 1_ o 十0牛 悦0 0 0 3 $ n _ 0 0 0 3 n w = 1 7 0 u l - 8 u a d = 1 5 p .a s = 1 5 p p d = 1 6 u p s = 1 6 u $ n _ 0 0 0 4 $ n0 0 0 4 v d d v d d p w = 9 u l = 3 u a d = 1 2 p a s - 1 2 p p d = 1 4 u p s - 1 4 u $ n _ 0 0 0 8 $ n _ 0 0 0 4 v d d v d d p w = 9 u l = 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p pd-14u p s = 1 4 u $ n _ 0 0 0 9 $ n _ 0 0 0 4 v d d v d d p w = 1 8 u l = 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s - 1 4 u $ n _ 0 0 0 1 $ n _ 0 0 0 4 v d d v d d p w = 3 6 0 u l = 3 u a d - 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s - 1 4 u $ n 0 0 0 7 $ n _ 0 0 0 7 v s s v s s n w = 1 5 u l = 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n _ 0 0 1 0 $ n 0 0 0 7 v s s v s s n w = 1 5 u l - 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n _ 0 0 1 1 $ n - 0 0 0 7 v s s v s s n w = 3 0 u l = 3 u a d = 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n _ 0 0 0 3 $ n 0 0 0 7 v s s v s s n w = 6 0 0 u l = 3 u a d - 1 2 p a s = 1 2 p p d = 1 4 u p s = 1 4 u $ n 0 0 0 4 $ n0 0 0 4 $ n _ 0 0 0 5本 凡0 0 0 5 n w = 1 0 u l = 3 u a d = 1 5 p a s = 1 5 p p d = 1 6 u p s = 1 6 u $ n _ 0 0 0 5 $ n0 0 0 5 $ n 0 0 0 6 $ n _ 0 0 0 6 n w = 1 0 u l = 3 u a d = 1 5 p a s = 1 5 p p d = 1 6 u p s = 1 6 u $ n 0 0 0 6 $ n0 0 0 6 $ n _ 0 0 0 7 $ n _ 0 0 0 7 n w = 1 9 u l = 3 u a d = 1 5 p a s = 1 5 p p d = 1 6 u p s = 1 6 u 用p s p 工 c e 和m o s i s 2 h m工艺参数进行模拟的结果表明， 在士 3 v 供电电 压下， 其线性传输 范围小于士 4 0 n a ，电 路的开环电 流增益为7 9 d b ， 转换速率s r 为6 . 1 m a / x s .伴随运放的开环 输入阻抗为1 3 k 0， 同相端和反相端输出阻抗分别为1 0 8 k s 2 和 1 0 6 k s 2 ;同相端和反相端的零分 贝带宽分别为4 0 m h z 和3 0 m h z ，零分贝时相位裕度4 6 0 0. 理想伴随运放的输入电阻为零， 所以 不论是否加反馈， 输入端的电位都严格等于零 ( 虚 地)。实际电路的输入电阻不可能为零。但是，伴随运放的输入量是电流，对输入端口而言， 只能是并联反馈，所以，当加深度负反馈时，闭环输入电阻将变得很低，其输入端同样呈现较 好的虚地特性。如将伴随运放接成全反馈时，则在输入电流波动在1 0 . 1 m a 范围内，输入端电 位最大值为1 . 5 2 m v ，而输入汲取电流仅为几十n a .其模拟结果分别见图3 - 9到图3 - 1 3 0 1 7 d - 月浮a . , 睦幽阴.比擂 权 伴随运算放大器研究 红目s 1 r f a 丁 一一一-一一一一-一 口 自es - 4 0 ) u a 于 一一 二 二 二 一而 二 一二 - - - - - - 一 - - - - - - - - - 一， - - - - - - - - - - 一 - - - - - - - - - 一 、 - - - - - - - - - - 一 一 ，5口 n 自一 ，0 日 n 自 o i ( r l 1 ) - so n 自 o 自 i 1 1 亏 幻自，日 口 n 自i so nn 。i ( r l 2 ) 图3 一 9伴随运放的直流传输特性 1. 口 m z1g o hz，0 吠 h z，二 时 m z，oo hh z 。d b ( i ( r 4 ) / i ( i i ) ) o d b ( i ( r 5 ) / i ( i 1 ) ) f r e q u e n c y 图3 - 1 0伴随运放的幅频特性 价 1 8 认; 蜘 盛 、 11 伴随运算放大器研究 1一 ) n z ，0日 hz，口 k 比 2，一 口 川hzi m hz o p ( i ( r 4 ) / i ( i i ) ) o p ( i ( r s ) / i ( i i ) ) f r e q u e n c y 图3 - 1 1伴随运放的相频特性 ， z h 10 从 ，扭k ，口 hz 1) o hz = + ) / i ( i 1 ) ，k h z，o r目2; s i s i a i i ;1. o m h z1口 川hz o v ( i 1 f r e q u e n c y 图3 - 1 1伴随运放输入阻抗 1 9 _别 盆口口.曰曰监 卜魂 伴随运算放大器研究 ，. 6 m u r- - - - - - - - - 一- 一 一 一一 一 一一 一 一一 一 - -一一一 一 分 一一 一 一一一 一一 一一 一 一 一于 一 一一 份一 一一 一 一一 一 一 一一 一一 一 - 一一 一一 一 一 门 1.|吃|-!j奇、|1|ji|-:|j-. ia mu 1- 2m u ，。 o 1 u . 十- 一 - - 一 - - - - 一 一 - - - - - 一 r - - - - - 一- - - 一 - 一- - - - 一 r - - - - - - - - 一 一 - - - - 一 - 一 r - - - - - - - - 一 一 - 一 - - 一 - 一 - 1 a a u a - s a u a a u a 5 ) u a 1 0 0 u a 。u ( h s i : i i n ) i t i n 图3 - 1 2伴随运放的虚地特性 口 娜o n n 2) n a a n 、 口j .勺 - 2o n n+- 一 - 一 一 一- 一 - - - - 一 一 - 一 一 一 一- - 一 - 一- 一 - 一 - - - - 一 尸 - - - 一 一 一 一 - - 一 - 一 一一 一 - 一 r - - - - - - 一 - - - - - - - - 一 - 1) o u a - so u a o u a 50 u a 10 0 u a a i ( i i n ) - i ( r i ) i t i n 图 3 - 招 伴随运放的汲取电流 2 0 a 1 料 伴随运算放大器研究 小结