（微电子学与固体电子学专业论文）轨到轨cmos运算放大器研究与设计.pdf

中文摘要 随着便携式电子产品的发展，集成电路电源电压不断降低，这就对模拟电路 的设计提出了巨大的挑战。电源电压的降低直接降低了运算放大器的动态范围， 影响其应用，因此如何提高运算放大器的共模范围成为研究的热点。 本文在深入了解国内外轨到轨运放研究动态的基础上，研究了各种轨到轨恒 跨导的实现方法，如电流控制法、电压控制法、宽长比控制法、非匹配模式、背 栅驱动法，以及上述方法的具体电路形式，讨论了各种恒跨导电路的优缺点；研 究了运算放大器的输出级电路，重点是能够实现轨到轨输出、低失真的a b 类输 出结构，包括前馈型和反馈型a b 类输出结构的工作原理、实现电路和电路优缺 点。 本文设计了一种前馈型轨到轨恒跨导恒增益的运算放大器。输入级采用一倍 电流镜控制的互补差分对结构，实现轨到轨和恒跨导性能，通过分析运放电压增 益随共模电平变化的原因，设计了恒增益控制模块，采用前馈型工作原理，可以 根据共模电平的范围来开启或者关闭附加电流源，稳定输出级的输出电阻，实现 运放的电压增益保持恒定；运放输出级采用前馈型a b 类电路结构，实现运算放 大器的轨到轨和低失真输出，提高了运放的负载驱动能力。 基于c h a r t e r e d0 3 5 me m b e d d e de e p r o m 工艺，采用c a d e n c e s p e c t r e 工具进行了仿真，在电源电压3 3 v 、电阻负载为2 0 0 k 、电容负载为2 0 p f 的情 况下，运放在整个共模范围内总跨导变化仅2 ，电压增益变化仅为1 5 ，直流 开环增益为1 2 0 d b ，增益带宽积为7 8 m h z ，相位裕度为6 0 9 。，功耗为4 9 9 m w 。 本运算放大器可望用于移动通讯、个人数字助理、便携式音响系统、电池监 测系统等产品中。 关键词：运算放大器；轨到轨；恒跨导；恒增益 a b s t r a c t i n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n t i n u et ol o w e rt h es u p p l yv o l t a g e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s ，w h i c hi sag r e a tc h a l l e n g et ot h ed e s i g no fa n a l o gc i r c u i t s l o w e rs u p p l yv o l t a g ed i r e c t l yr e d u c e st h ed y n a m i cr a n g eo fo p - a m p ，w h i c ha f f e c t t h e i ra p p l i c a t i o n ，s oi tb e c o m e sah o tr e s e a r c ht h a th o wt oi m p r o v et h e0 pa m p s c o m m o nm o d er a n g e b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho n r a i l - t o r a i l o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ，t h i sp a p e rs t u d y sv a r i o u sm e t h o d s a n dt h e r e a l i z a t i o nc i r c u i t so ft h ec o n s t a n tt r a n s c o n d u c t a n c eo p - a m p ，s u c ha sc u r r e n t c o n t r o l m e t h o d ，v o l t a g e - c o n t r o lm e t h o d ，r a t i o c o n t r o lm e t h o d ，n o n - m a t c h i n gm e t h o da n d b a c k g a t e d r i v e nm e t h o d i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h ec i r c u i t s t h i sp a p e ra l s os t u d y st h eo u t p u ts t a g eo fo p - a m p ，w i t haf o c u so nt h es t r u c t u r eo f c l a s s a bw h i c ha c h i e v e sr a i l - t o r a i la n dl o wd i s t o r t i o no u t p u t ，s u c ha sf e e d f o r w a r d c l a s s - a bb i a s i n g ( f f b ) a n df e e d b a c kc l a s s a bb i a s i n g ( f b b ) t h i sp a p e rp r o p o s e saf e e d f o r w a r dr a i lt or a i lo p e r a t i o n a la m p l i f i e rw h i c h r e a l i z e sc o n s t a n tt r a n s c o n d u c t a n c ea n dc o n s t a n tg a i n u n i t yc u r r e n tm i r r o rs t r u c t u r ei s u s e da st h ei n p u ts t a g et oc o n t r o lt h ec o m p l e m e n t a r yd i f f e r e n t i a lp a i r , t oa c h i e v e r a i l - t o - r a i l p e r f o r m a n c ea n dc o n s t a n tt r a n s c o n d u c t a n c e a f t e rt h ea n a l y s i so ft h e v o l t a g eg a i nv a r i e sw i t hi n p u tc o m m o n m o d ev o l t a g e ，am o d u l ew h i c hc a na c h i e v e c o n s t a n tg a i ni sp r o p o s e d ，a n di tw i l lo p e no rc l o s et h ea d d i t i o n a lc u r r e n ts o u r c e d e p e n d e n t o ni n p u tc o m m o n m o d er a n g e ，t h eo u t p u tr e s i s t a n c ew i l lm a i n t a i nc o n s t a n t ， a n ds od ov o l t a g eg a i n af e e d f o r w a r dc l a s s - a bb i a s i n g ( f f b ) i su s e da st h eo u t p u t s t a g et oa c h i e v er a i l t o r a i l ，l o wd i s t o r t i o no u p u ta n di m p r o v et h ec a p a b i l i t yt od r i v e l o a d s b a s e do nc h a r t e r e do 3 5 me m b e d d e de e p r o mt e c h n o l o g y , c a d e n c es p e c t r e t o o li su s e df o rt h es i m u l a t i o n ，w i t ht h es u p p l yv o l t a g e3 3 vt h el o a dr e s i s t a n c e2 0 0 k ， a n dt h el o a dc a p a c i t a n c e2 0 p t h et r a n s c o n d u c t a n c ev a r i e so n l y2 a n dt h ev o l t a g e g a i no n l y1 5 o v e rt h ee n t i r ei n p u tc o m m o n - m o d er a n g ew h i l ep r o v i d i n gad cg a i n o f12 0 d b ，ag a i n b a n d w i d t hp r o d u c to f7 8 m h z ，ap h a s em a r g i no f6 0 9 0 t h ep o w e r d i s s i p a t i o ni s4 9 9 m w t h eo p - a m pc a nb eu s e df o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t s ， p o r t a b l ea u d i os y s t e m ，b a k e r ym o n i t o r i n gs y s t e ma n do t h e rp r o d u c t s k e yw o r d s ：o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , r a i lt or a i l ，c o n s t a n tt r a n s c o n d u c t a n c e ，c o n s t a n t g a m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂一或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学1 业j - - 诳义1 f 自签k , 名：辱步坤 签字日期： 冲年衫月口多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨垄盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： c 午步坤导师签名：匆 签字日期： 川年彩月够日签字日期：卅年巧月移日 第一章概述 1 1 课题研究的背景和意义 第一章概述 随着能源问题的日益突出和电子市场的发展，高性能和低功耗是现代集成电 路的必然趋势。特别是便携式电子产品不断出现，使得功耗成为现代集成电路产 品的关键性能之一，因为功耗与电源电压的平方成正比，所以降低功耗的一个重 要的方法就是降低电源电压：另外，现代集成电路特征尺寸越来越小，目前国际 上半导体工艺特征尺寸已经降到了4 0 n m ，更低的尺寸也在研究之中，所以集成 电路电压越来越低，低压低功耗的集成电路设计成为国内外科研机构的研究热点 1 - 3 】。 现代半导体工艺尺寸的减小，不仅降低了集成电路的功耗，而且提高了集成 电路的集成密度和工作速度，非常有利于数字集成电路的发展。但是较小的工艺 尺寸会出现非理想效应效应，例如沟道调制、速度饱和、热载流子效应等等，这 对模拟电路设计是一个极大的挑战，如何在现代工艺中制造出高性能的模拟电路 将是世界电子工程师的研究热点和难点【4 。 运算放大器是模拟电路中最基本、最关键的模块之一，广泛用于各种模拟电 路、数模混合电路，例如模拟加减法器、模拟乘法器、微分积分电路、采样保持 电路、r c 有源滤波器、电压调整器、电流检测电路，其性能直接决定了这些模 块的性能，所以低电压低功耗的运算放大器设计尤其重要。随着电源电压的降低， 传统运算放大器的动态范围即信噪比将大幅降低，甚至不能继续工作。针对上述 问题，将设计新型的运算放大器结构，充分利用电源电压，将运算放大器的输入 和输出动态范围扩展到正电源电压和负电源电压，甚至超过正电源电压和负电源 电压，这种新型结构的运算放大器称为轨到轨运算放大器( r a i lt or a i lo p e r a t i o n a l a m p l i f i e r ) 。这种新型轨对轨运算放大器可以用于d v d 播放器、声卡、手机、 c p s 系统等电路 5 】。 国外对于轨到轨运放的的研究始于上世纪九十年代，目前也取得了比较显著 的研究成果，有多种电路结构和方法，例如电流控制法【6 】、电压控制法 7 、宽 长比控制法 8 】、背栅驱动法 9 】等等，特别是基于准浮栅m o s 管i 1 0 】的轨到轨设 计，其输入级跨导变化减小到0 3 ，可以说几乎完全恒定，同时也设计出相关 电路进一步改进运放性能，例如不随工艺参数改变的恒定跨导、自调整恒定跨导 电路等。而且国外在这方面已经有成熟产品，各大模拟电路芯片公司都推出了自 己的相应产品，如意法半导体的t s l 8 5 x 系列、a d 公司的a d 8 6 0 x 系列、线性 第一章概述 技术公司l t l 8 0 x 系列等等 1 1 】。国内高校和科研机构也开始这方面的研究，例 如复旦大学、西北大学、电子科技大学、南开大学等，也取得了一定的进展，但 是国内尚无成熟产品面市，所以对于轨到轨运算放大器的研究将有着重要的科研 价值和应用价值。 1 2 本文的主要工作 本文的主要工作如下： ( 1 )广泛调研了国内外轨到轨的研究动态，研究了各种轨到轨恒定跨导 的实现方法，如电流控制法、电压控制法、宽长比控制法、过渡区 重叠法、非匹配模式、背栅驱动法，并给出了各种实现的电路及其 优缺点；研究了各种运放输出级的结构，特别是能够实现轨到轨输 出、低失真的a b 类输出结构，并给出了各种电路的优缺点。 ( 2 )在综合文献的基础上，设计了一种前馈型轨到轨恒跨导恒增益的运 算放大器。输入级采用一倍电流镜控制的互补差分对结构来实现轨 到轨和恒跨导性能。同时讨论了运放电压增益随共模电平变化的原 因，设计了恒增益控制模块，采用前馈型工作原理，可以根据共模 电平的范围来开启或者关闭附加电流源，稳定输出级的输出电阻， 实现运放的电压增益恒定。最后采用前馈型a b 类输出级，实现运算 放大器的轨到轨输出，提高了运放的负载驱动能力。 ( 3 )用c a d e n c es p e c t r e 工具基于c h a r t e r e d0 3 5 me m b e d d e de e p r o m 模型对运算放大器进行了仿真，在电源电压3 3 v 、电阻负载为2 0 0 k 、 电容负载为2 0 p f 的情况下，运放在整个共模范围内总跨导变化仅 2 ，电压增益变化仅为1 5 ，直流开环增益为1 2 0 d b ，增益带宽积 为7 8 m h z ，相位裕度为6 0 9 。，功耗为4 9 9 m w 。 ( 4 )采用c h a r t e r e d0 3 5 1me m b e d d e de e p r o m 工艺设计规则完成版图 设计，同时介绍了版图设计规则中需要注意的问题，并通过了版图 d r c 和l v s 检查。设计文件交付新加坡c h a r t e r e d 公司流片。测试 正在进行中。 1 3 本文的结构安排 第二章介绍了运算放大器的基本知识，包括运算放大器的概述、基本结构、 一般设计方法和主要指标。 第三章主要介绍了轨到轨恒跨导的实现方法，包括电流控制法、电压控制法、 第一章概述 宽长比控制法、过渡区重叠法、非匹配模式、背栅驱动法， 电路，并讨论了各种电路结构的优缺点。 第四章主要介绍了输出级设计和带隙基准结构设计， a b 类输出级、带隙基准电压源和带隙基准电流源。 以及各种具体的实现 包括前馈型和反馈型 第五章在综合文献的基础上，设计了一种前馈型轨到轨恒跨导恒增益的运算 放大器，提出了恒增益控制模块，采用前馈型工作原理，可以根据共模电平的范 围来开启或者关闭附加电流源，稳定输出级的输出电阻，实现运放的电压增益恒 定。 用c a d e n c es p e c t r e 仿真器基于c h a r t e r e d0 3 5 me m b e d d e de e p r o m 模型 对运算放大器进行了仿真，在电源电压3 3 v 、电阻负载为2 0 0 k 、电容负载为2 0 p f 的情况下，运放在整个共模范围内总跨导变化仅2 ，电压增益变化仅为1 5 。 采用c h a r t e r e do 3 5 mc m o s 工艺设计规则完成版图设计，同时介绍了版 图设计规则中需要注意的问题，并通过了版图d r c 和l v s 检查。 第六章对本文工作进行了总结，提出了本次轨到轨运放设计存在的问题和轨 到轨运放设计技术的发展趋势。 第二章运算放大器设计基础 第二章运算放大器设计基础 2 1 运算放大器概述 在上世纪5 0 年代末到6 0 年代初，集成电路技术己经发展起来，但直到6 0 年代中期由r o b e r t j w i l d e r 设计并由f a r r c h i l d 发布第一块运放a 7 0 9 起，集成 运算放大器才算真正地发展起来。从此，运放的价格大幅度下降，结果使得运放 被广泛地应用在几乎所有的电子系统设计之f i b 1 2 】。 随着人们的需求及1 c 工艺技术的发展，集成运算放大器也在不断发展。一 般人们把集成运放的发展分为四个阶段，也就是通常所称之为的四代运放，各代 运放产品皆有自己的特点。集成运放发展到第四代时，其特点是在应用中己不再 采用外接调零电阻，有人认为其已进入大规模线性电路的行列。同时，在集成运 放的发展中，为了满足一些特殊场合的应用，又形成了对运放某项性能参数的特 殊要求，这就形成了市场上种类纷繁的各种类型运算放大器，如：高速型、宽带 型、低功耗型等等。随着电子技术的飞速发展及市场需求，每年都有许多新型的、 功能越来越强大的、可靠性越来越高的运放进入电子应用领域。最新一代运放其 带宽可从5 k h z 到几g h z 1 3 ；供电电源可以从o 9 v 到1 0 0 0 v 1 4 1 5 】；输入失调 电压和失调电流亦愈来愈小。由于性能上的提高，使用起来亦越来越简单方便， 运放已经成为任何工程师可随手应用的电子单元电路。 在运放的发展过程中有一些特点： ( 1 )过去的运算放大器的设计往往是一些矛盾参数的折衷，但现在的发 ( 2 ) ( 3 ) 现在， ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 展和新的产品性能表明，为改进一种参数而牺牲其它参数的代价己 变得越来越小，因此，运放的性能越来越趋向理想化。 许多种运放都有单运放、双运放、四运放的型式，形成一种系列。 运放的设计和制造越来越成为一种综合的技术，其工艺也向着相容 方向发展。目前除单纯的双极型和c m o s 外，还有b i m o s 、b i j f e t 、 b i c m o s 相容型，在制造工艺技术上也在不断改进。 运放主要有下列几个方面的发展课题： 双极型运算放大器，主要在于改进电路的输入特性 1 6 】； b i j e f t ，主要在改进其输入电压噪声【1 7 】； 低压运算放大器，一般是在功耗方面考虑； 混合运算放大器，主要在高速、大功率和大电流缓冲中应用； 单片功率运算放大器，散热是其发展的主要障碍【18 】； 第二章运算放大器设计基础 ( 6 ) 仪器放大器，它在输入失调电压、电流方面要求较苛刻【1 9 】； ( 7 )介质隔离运算放大器，在抗辐射方面有很好的前途； ( 8 ) c m o s 运算放大器，在各方面皆有较大的优越性，电路结构、制造 工艺在近年得到快速发展 2 0 2 1 】。 当今，运算放大器仍然是模拟电路设计中最重要的单元电路。每一代新的集 成电子设备皆有相当数量的模拟电路部分。数字电路规模越来越大，但其供电电 源电路、接口电路等仍离不开高性能模拟电路的支持，所以，研究开发新一代运 算放大器才可不断满足新的电路应用的要求。 2 2 运算放大器基本结构和一般设计方法 2 2 1 运算放大器的基本结构 运算放大器的基本结构( 如图2 1 ) 包括输入级、中间放大级、反馈补偿电 路、偏置电路和输出级组成。 图2 1运算放大器基本结构 输入级功能是提供信号输入通道，采用的是差分放大电路，可以提供差分信 号输入能力，既可以实现交流放大，也可以实现直流信号放大功能。一般要求输 入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好 坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。 中间放大与补偿电路一般由多级放大电路组成，作用是提高运算放大器的电 压增益能力，使其接近理想特性( 该级的放大倍数可达数千乃数万倍) 。同时， 为了保证放大器具有良好的线性特性，还在中间放大电路中设置了一些线性、温 第二章运算放大器设计基础 度、电源抑制等补偿电路。 偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。 输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电 路，功能是提供运算放大器的负载驱动能力。同时，在输出端也提供相应的输出 短路保护电路。 2 2 2 运算放大器的一般设计方法 运算放大器的一般设计流程如图2 - 2 所示 2 2 】，总体来说，设计过程有两个 主要步骤。第一是设计的概念，第二是设计的优化。设计的概念由提出满足给定 指标要求的结构来完成。通常，这一步用手工计算完成，这是为维持观察法的要 求必须做的选择。第二步是为了进行初步设计、验证并优化。一般通过计算机模 拟进行，还可以包含其他诸如环境或工艺变化的影响。 图2 2运算放大器设计流程 运算放大器设计的关键步骤为： ( 1 ) 决定合适结构 仔细研究技术指标后，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高增益。如果需要低功耗，那么甲乙类 输出级也许是必要。这又决定了必须使用的输入级类型。 ( 2 ) 确定满足指标所需要的补偿类型 有许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 6 第二章运算放大器设计基础 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。在设计过程的第一步和第二 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。 在设计中，运算放大器的各种参数都会相互牵制，这将导致设计成为一个多 维优化的问题，如图2 3 “模拟电路设计八边形法则”所示，这样的这种选择、 互相制约对高性能放大器的设计提出了许多的难题，要靠直觉和经验才能得到一 个较佳的折衷方案 2 3 】。 图2 3模拟电路设计八边形法则 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2 0 的时间内完成大约8 0 的工作，剩下的工作需要8 0 的时间。有时 手工计算会因近似计算而受误导。尽管如此，这个步骤确实必需的。它可以使设 计者对设计参数变化的灵敏性有一个感性有认识。除此之外，没有其他方法可以 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。一般来说，利用计算机资源并不是明智的选择。 7 第二章运算放大器设计基础 2 3 运算放大器的主要指标 集成运放的主要指标，可以分为输入误差特性、开环差模特性、共模特性、 输出瞬态特性和电源特性。 2 3 1 输入误差特性参数 输入误差特性参数用来表示集成运放的失调特性，描述这类特性的主要是以 下几个参数 2 4 1 ： ( 1 ) 输入失调电压( i n p u to f f s e tv o l t a g e ) v o s 对于理想运放，当输入电压为零时，输出也应为零。实际上，由于差动输入 级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。输入失调电压定义为集成运放 输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映 了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运 放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压 与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺( 即上述的标准硅工艺) 的输入失调电 压在+ l - 1 0 m v 之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对 于精密运放，输入失调电压一般在l m v 以下。输入失调电压越小，直流放大时 中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放这是一个极为重要的指标。 ( 2 ) 输入失调电压的温漂( t h et e m p e r a t u r ed r i f to fi n p u to f f s e tv o l t a g e ) d v o s d t 输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化 与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工 作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小，不能通过外接调零装置进 行补偿，一般运放的输入失调电压温漂在士l o 2 0 c 之间，精密运放的输入失 调电压温漂小于士ll a v 。c 。 ( 3 ) 输入偏置电流( i n p u tb i a sc u r r e n t ) i b 当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电 流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输 入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺( 即上述的标准硅工艺) 的 输入偏置电流在+ 1 0 n a 1 心之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一 般低于l n a 。 ( 4 ) 输入失调电流( i n p u to f f s e tc u r r e n t ) l o s 当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流 同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。输入失调 第二章运算放大器设计基础 电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入 失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号 精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻( 例如l0 k 或更大时) ，输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。 输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密 运放这也是一个极为重要的指标。 ( 5 ) 输入失调电流温漂( t h et e m p e r a t u r ed r i f to fi n p u to f f s e tc u r r e n t ) d l o s d t 在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。这个参数实 际是输入失调电流的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变 化造成的漂移大小。输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是 在用以直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。 ( 6 ) 等效输入噪声电压( e q u i v a l e n ti n p u tn o i s ev o l t a g e ) ：屏蔽良好、无信号 输入的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算 到运放输入端时，就称为等效输入噪声电压( 有时也用噪声电流表示) 。对于宽 带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约l o 2 0 v v 。 2 3 2 开环差模特性参数 开环差模特性参数用来表示集成运放在差模输入作用下的传输特性。描述这 类特性的参数有开环差模电压增益( d i f f e r e n t i a lo p e n - l o o pv o l t a g eg a i n ) 、最大差 模输入电压( t h em a xd i f f e r e n t i a lm o d ei n p u tv o l t a g e ) 、一3 d b 带宽( - 3 d bb a n d w i d t h ) 、单位增益带宽( u n i t yg a i nb a n d w i d t h ) g b 、差模输入阻抗( d i f f e r e n t i a l m o d e i n p u ti m p e d a n c e ) 。 ( 1 ) 开环差模电压增益( d i f f e r e n t i a lo p e n l o o pv o l t a g eg a i n ) a o d 差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输出电压与差模 电压输入电压的比值，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示，即 如吒0 1 9 翻 q 1 一般运放的差模开环直流电压增益在8 0 1 2 0 d b 之间。实际运放的差模开环 电压增益是频率的函数，为了便于比较，一般采用差模开环直流电压增益。 ( 2 ) 最大差模输入电压( t h em a xd i f f e r e n t i a lm o d ei n p u tv o l t a g e ) v i d m 双 v i d m 戤指集成运放反相和同相输入端所能承受的最大电压值，超过这个值输 入级差动管中的管子将会出现反相击穿，甚至损坏。 ( 3 ) 3 d b 带宽( - 3 d bb a n dw i d t h ) 输入正弦小信号时，a 0 d 是频率的函数，随着频率的增加，a o d 下降。当a o d 9 第二章运算放大器设计基础 下降3 d b 时所对应的信号频率称为开环3 d b 带宽。一般运放的开环3 d b 带宽为几 h z 一几k h z ，宽带运放可达到几m h z 。 ( 4 ) 单位增益带宽g b ( u n i t yg a i nb a n d w i d t h ) 运放的闭环增益为l 倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入 端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3 d b ( 或是相当于运放输入信号的 0 7 0 7 ) 所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信 号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积。 ( 5 ) 差模输入阻抗( d i f f e r e n t i a l m o d ei n p u ti m p e d a n c e ) r i d 差模输入阻抗r j d 是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，一般双 极运放r 订约为几m r 2 ，用场效应管作差动输入级的运放，r i d 可达几百m q ，表达 式为： r 耐= ， ( 2 - 2 ) 2 3 3 共模特性参数 共模特性参数用来表示集成运放在共模信号作用下的传输特性，这类参数有 共模抑制比( c o m m o n m o d er e j e c t i o nr a t i o ，c m r r ) ，共模输入电压( t h em a x c o m m o n - m o d ei n p u tv o l m g e ，v i c 雠) ，共模输入阻抗( c o m m o n m o d ei n p u t i m p e d a n c e ) 等。 ( 1 ) 共模抑制比( c o m m o n m o d er e j e c t i o nr a t i o ，c m r r ) k c m r r 当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。共模抑制比是一 个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中共模干扰信号。由于共模抑制比很大， 大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所 以一般采用分贝方式记录和比较，一般运放的共模抑制比在8 0 1 2 0 d b 之间。 ( 2 ) 最大共模输入电压v i c 懈( t h em a xc o m m o n m o d ei n p u tv o l t a g e ) 当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电 压。一般定义为当共模抑制比下降6 d b 是所对应的共模输入电压作为最大共模 输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有 干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。 ( 3 ) 共模输入阻抗( c o m m o n m o d ei n p u ti m p e d a n c e ) 运放工作在输入信号时( 即运放两输入端输入同一个信号) ，共模输入电压 的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻，通 常，运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多，典型值在1 0 8 q 以上。 l o 第二章运算放大器设计基础 2 3 4 输出瞬态特性参数 输出瞬态特性参数用来表示集成运放输出信号的瞬态特性，描述这类特性的 参数主要是转换速率( s l e wr a t e ，s r ) ，建立时间( s e t t l i n gt i m e ) ，建立精度( s e t t l i n g a c c u r a c y ) ，输出峰- 峰值电压( o u t p u tp e a k t o p e a kv o l t a g e ) ，输出阻抗( o u t p u t i m p e d a n c e ) 。 ( 1 ) 转换速率s r 是指运放在闭环状态下，输入为大信号( 如阶跃信号) 时，运算放大器输出电压的变化率( 见图2 - 4 ) 。转换速率s r 是运算放大器的一 个基本输入特性，是选择信号上升速度的基本依据。如果输入信号的幅度上升速 度超过转换速率，则必须把输入信号的幅度降低才能保证运算放大器正常工作。 如果输入信号幅度较大，并且其上升速度也较大( 但仍需要处于转换速率限制范 围内) ，则应当选择大信号的频率特性曲线，反之则选用小信号频率特性曲线。 输入信号的上升速度一般以正弦波为基本信号，计算信号变化速度最快部分的上 升速度。 0 k r 亍 d 图2 4转换速率示意图 转换速率的大小与很多因素有关，其中主要与运放所加的补偿电容、运放本 身寄生电容，以及放大器的充电电流等因素有关。只有信号变化斜率的绝对值小 于s r 时，输出才能按照线性的规律变化。转换速率对于大信号处理是一个很重 要的指标，一般运放转换速率s r 1 0 v p s ，高速运放的转换速率s r 1 0 v g s 。 目前的高速运放最高转换速率s r 达到6 5 0 0 v l a s 。这用于大信号处理中运放选型。 ( 2 ) 建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 定义为：在额定的负载时，运放的闭环增益 为1 倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0 增加到 某一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会 出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+ 上升时间= 建立时间。 对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。建立时 间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。 ( 3 ) 建立时间与建立精度是密不可分的一对参数。它们通常是在闭环应用 第二章运算放大器设计基础 时的设计指标，与运放的单位增益带宽有关。 ( 4 ) 输出峰峰值电压( o u t p u tp e a k t o p e a kv o l t a g e ) ：当运放工作于线性区 时，在指定的负载下，运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压 幅度。除低压运放外，一般运放的输出峰峰值电压大于士1 0 v 。一般运放的输出 峰峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的，现代部分低压运 放的输出级做了特殊处理，使得在1 0 k 负载时，输出峰峰值电压接近到电源电 压的5 0 m v 以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨( r a i l t o r a i l ) 运放。 需要注意的是，运放的输出峰峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰峰值电 压也不同：运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出峰峰值 电压越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只 能工作在低压，而且成本较高。 ( 5 ) 输出阻抗( o u t p u ti m p e d a n c e ) ：运放工作在线性区时，在运放的输出 端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放 的输出电阻。这个参数在开环测试。 2 3 5 电源特性参数 电源特性参数主要有静态功耗( q u i e s c e n tp o w e rd r a i n ) ，电源电压抑制比 ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ，p s r r ) 等。 ( 1 ) 静态功耗( q u i e s c e n tp o w e rd r a i n ) 指运放零输入情况下的功耗。 ( 2 ) 电源电压抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ，p s r r ) 定义为当运放 工作于线性区时，运放输入到输出的增益与电源电压到输出的增益的比值。电源 电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。目前电源电压抑制比只能做到 8 0 d b 左右。所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时，运放的电源需 要作认真细致的处理。当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑 制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。 2 4 本章小结 本章首先概述运算放大器的现状和发展课题，包括运算放大器的共同的特点 和各类放大器发展趋势；然后介绍了运算放大器的基本结构和一般设计技术，包 括设计流程和运算放大器的参数折衷；最后介绍了运算放大器的主要指标，归纳 为四类：输入误差特性参数、开环差模特性参数、共模特性参数、输出瞬态特性 参数、电源特性参数。 1 2 第三章运算放大器轨到轨输入级 第三章运算放大器轨到轨输入级 3 1 轨到轨输入级概述 在信号处理系统中，一个高动态范围的运算放大器是一个不可缺少的模块； 动态范围也可表示为信噪比。随着c m o s 工艺的发展，电源电压越来越低，受 电源电压的限制，运算放大器所能处理的最大信号幅度越来越小，因此将输入级 的动态范围提高到轨到轨( r a i lt or a i l ) 具有重要的意义 2 5 】。 运算放大器轨到轨的输入级，一般必须满足以下要求 2 6 ： ( 1 ) 为使得输入共模信号达到或接近负的供电电压，电路在工作时，p n p 管( 对双极电路而言) 或p m o s 晶体管的集电极或漏极电压应接近地电压。 ( 2 ) 为使输入共模信号达到正的供电电压，电路工作时，n p n 或n m o s 晶体管的集电极或漏极电压必须接近正的供电电压。 ( 3 ) 为获得轨到轨的输入电压范围，p 型晶体管信号和n 型晶体管信号必 须并联作为输入信号进行处理。这样就要求在全部的电压输入范围内，输入级的 跨导保持常数。如果输入级的跨导在电路工作中发生变化，则电路的频率特性变 差【2 7 】。 ( 4 ) 同时，为保证一定的增益，就必须使输出级有更大的静态电流，则使 电路的静态功耗变大。这样对电路的性能造成很大的影n f i 2 8 】。 3 2m o s f e t 特性 3 2 1 强反型 当m o s 管栅源电压大于阈值电源时，其工作在强反型区，此时m o s 管处 于饱和区，满足下式： 吃 一吃 ( 3 1 ) 式中，和圪分别为m o s 管栅源电压和阈值电压。 在饱和区，漏电流厶和栅源电压关系【2 9 】为： 呸1 一p c o , i w 吒一吃户 ( 3 - 2 ) 第三章运算放大器轨到轨输入级 其中，为电荷迁移率，c 。为栅氧化层电容，为栅源电压，为阈值 电压，w 和l 分别为m o s 管的沟道宽度和长度，参数o 模拟栅电场效应，亏表 示栅漏电场效应，0 和孝典型值分别为o 1 l v 和0 3 p m v 。 在确定m o s 管栅源电压时也可将其分为阈值电压和有效栅源电压，表示为： = 吃+ ，万 ( 3 - 3 ) 其中，阈值电压为： = 。+ ，听；万一、历) ( 3 - 4 ) 式中为栅衬电压，圪。为衬源电压为0 时阈值电压，y 和矽，分别为衬底 阈值参数和表面势，y 和矽，的典型值分别为0 7 v 1 2