（电路与系统专业论文）数字电视调谐器中SAW驱动电路的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 在单次变频的数字电视调谐器中，混频器输出的信号要采用声表面波 ( s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ，s a w ) 滤波器以形成所需要的中频特性。而信号经过 声表面波滤波器后有很大衰减，幅度无法满足后级电路的要求，所以有必要在 声表面波滤波器的前面加上一级放大电路以补偿声表面波滤波器的插入损耗。 本文根据数字调谐芯片系统的要求以及声表面波滤波器的要求，设计了一 个电压增益为1 8 d b 、噪声系数小于1 5 d b 、最小输入频率范围在3 2 m h z - - 4 0 m h z 的c m o s 中频放大器作为声表面波滤波器的驱动电路，其主要由缓冲级、差分 放大级和负反馈放大电路三个主要模块组成。负反馈放大器是该驱动电路的主 要部分，它由运算放大器加上电阻和电容构成的反馈网络组成，其功能是实现 输出阻抗匹配以及保证驱动电路增益的稳定性。缓冲级起到了该级电路与前级 电路的缓冲、隔离作用。差分放大级与负反馈放大器配合使用共同实现电路的 增益。 本次设计的所用的工具是m e n t o r 公司的i c 设计软件，应用m e n t o r 公司的d a - i c 进行原理图输入，电路的仿真采用该公司的e l d o ，e l d o 是一 个功能十分强大的电路仿真工具，它是s p i c e 仿真软件中的一种，与其它的 s p i c e 仿真软件有很好的兼容性。使用该公司的i c s t a t i o n s 版图设计软件完 成了版图设计。 本次用的是中芯国际半导体公司提供的o 1 8 u r n 的c m o s 工艺的m o d e l ， 工艺电源电压采用3 3 v 。 关键词：调谐器、声表面波滤波器、s a w 驱动电路、负反馈放大器 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 a b s t r a c t i nt h es i n g l ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nd i 垂t a lt vt u n e r , t h es i g n a lf r o mm i x e r n e e df i l t e r e db ys u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r h o w e v e r , t h es i g n a lw i l lb eg r e a t l y a t t e n u a t e d ，a n dt h es i g n a la m p l i t u d ec a n n o ts a r i s f yn e x ts t a g ec i r c u i t t h e r e f o r e ， i ti sn e e do d es t a g ea m p l i f i e rb e f o r es u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r , w h i c hc a n c o m p e n s a t ei n s e r t i o n l o s s b a s e do nt h ed i g i t a lt vt u n e r ss y s t e ma n dt h es u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r , 1 8 d bv o l t a g eg a i n ，n o i s ef i n g e rl e s st h a n1 5d b ，m i n i m a lf r e q u e n c yr a n g ei s3 2 m h z - 4 0 m h zb a n d w i d t hc m o si n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya m p l i f i e ri sd e s i g n e df o r t h es u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r sd r i v ec i r c u i t t h es a wd r i v ec i r c u i tw a s d e s i g n e di nt h i sp a p e rw h i c hc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：i n p u tb u f f e r , d i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r , n e g a t i v ef e e d b a c kc i r c u i t n e g a t i v ef e e d b a c kc i r c u i ti st h em a i nb o d y o fs a wd r i v ec i r c u i tw h i c hi sc o m p o s e db yo p e r a t i o na m p l i f i e ra n df e e d b a c k n e t w o r k , i t sf u n c t i o ni st or e a l i z eo u t p u ti m p e d a n c em a t c h i n ga n de l e c t r i cc i r c u i t s t a b l eg a i n i n p u tb u f f e ri s o l a t e st h i ss t a g ec i r c u i ta n dn e x ts t a g ec i r c u i t d i f f e r e n t i a la m p l i f i e ra n dn e g a t i v ef e e d b a c kc i r c u i tr e a l i z es a wd r i v ec i r c u i t g a mt o g e t h e r t h ec i r c u i ti sd e s i g n e du s i n gi cd e s i g ns o f t w a r eo f f e r e db ym e n t o r c o r p o r a t i o n t h es c h e m a t i cw a si n p u tu s i n gm e n t o rc o r p o r a t i o n sd a - i c t h es i m u l a t i o nt o o li se l d o i ti so n ek i n do fs p i c es i m u l a t i o ns o f t w a r e m o r e o v e r , i th a sv e r yg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t ho t h e rs p i c es i m u l a t i o ns o f t w a r e t h el a y o u to ft h ec i r c u i ti sd e s i g n e db yi c - s t a t i o n s l a y o u td e s i g ns o f t w a r e t h i sd e s i g nu s e so 1 8 u r nc m o st e c h n o l o g yw h i c hi s p r o v i d e db yt h e s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gi n t e r n a t i o n a lc o r p o r a t i o n ，t h et e c h n o l o g y s u p p l yv o l t a g e i s3 3 v k e y w o r d s ：t u n e r , s u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r , s a wd r i v ec i r c u i t , n e g a t i v e f e e d b a c ka m p l i f i e r i i 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逻徽大挚其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：张寺艮遗，签字日期：2 。p 7年年月2 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解睦徽大雩有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阕和 借阅。本人授权宠髂幻审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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张奋艮进l 导师签名： 蘑毒二芎 签字日期：2 0 d 7 年斗月工3 日 签字日期： 2 。p 7年月影日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：电话： 通讯地自 ：邮编： 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 数字电视是继黑白模拟电视、彩色模拟电视之后的第三代电视系统。数字 电视由于采用数字技术传输和处理电视信号，抗噪声能力要比传统的模拟电视 高出许多，因此拥有较好的图像和声音品质。同时，由于采用全数字化的方式 处理信号，可在原电视信号中加入其它信息，强化电视节目的内容或提供原来 模拟电视所无法做到的全新服务，例如：视频点播、互动服务、不同视野角度 的面面和多种语言字幕选择等项目。在有限频宽下，数字电视的信号在传输前 更可进行资料压缩，因此大大提高频带使用效率【1 胡。 数字电视广播方式根据信号传输媒体的不同而有卫星广播、有线广播和地 面广播之分阿。卫星广播在世界上已普遍应用，我国也是这样。在我国的数字 演播室参数、有线数字电视传输、业务信息规范和条件接受系统等标准已颁布 实施的基础上，有线数字电视从试验走向实用化正在稳步前进。卫星和有线两 种传输媒体所关联的数字电视信号的信道编码和高频调制方式在技术上，国际 已有公认的、优化的信号处理措施，它们的参数标准各国基本类同，所以普遍 先行地推出这两种数字电视广播系统。我国的有线电视网络覆盖面广，用户众 多。有线电视的全数字化是我国实现全数字广播电视系统的切入点。而现阶段， 我国尚有数以亿计的模拟电视机，在短时间内全部淘汰转而使用数字电视机是 不可能也是不切实际的，比较有效的解决途径就是采用数字电视机顶盒 ( s e t t o p b o x ，s t b ) 来给现有模拟电视“升级”，使之能够接收数字电视信号。 数字电视机顶盒是信息家电之一，它是种能够让用户在现有模拟电视机 上观看数字电视节目，并进行交互式数字化娱乐，教育和商业化活动的消费电 子产品。数字电视机顶盒的工作过程大致如下：高频调谐器接收来自有线网络 的高频电视信号，通过q a m 解调器完成信道解码，从载波中分离出包含音、 视频和其它数据信息的传送流( t s ) 。传送流中一般包含多个音、视频流及一些 数据信息。解复用器则用来区分不同的节目，提取相应的音、视频流和数据流， 送入m p e g 一2 解码器和相应的解析软件，完成数字信息的还原。最后彩色模拟 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 电视机上显示高质量图像，并提供多声道立体声节目，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 数字电视机顶盒系统框图 f i g1 - 1t h es t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo f d i g i t a lt vs e t - t o p - b o x 本次设计的调谐器是用于数字有线电视机顶盒前端调谐部分，系统架构采 用一次变频结构方案7 0 1 ，将宽广的接收频宽分割成2 3 个频带分别设计，相 关电路元件的规格能够较为宽松的实现。其结构与信号流程图如图1 2 所示： s a w n 动电路 图l 2 三波段一次变频结构图 f i g1 - 2s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo f 岫w a v e b a n ds i n g l ec o n v e r s i o n 其工作原理为：高频电视信号从天线接收端进入调谐电路部分，经带通滤 波器选择出4 5 m h z 8 6 0 m h z 的频率信号，分三路( v h fi 波段、v h f i i i 波段、 u h f 波段) 分别进行选频、放大，这是由于选频部分的频率调节范围有限，不 得不分开实现所属功能。放大后的信号经过通道选择控制电路进k n 混频器与 本地振荡器产生的本振信号差频生成3 6 m h z 的中频信号，再输入s a w 滤波器 滤除干扰信号，得到理想中频。 2 第一章绪论 1 2 论文的主要工作 本课题的主要工作是根据数字调谐芯片系统的要求和结合后级s a w ( 声表 面波滤波器) 的特性的要求，设计出一个增益为1 8 d b 的c m o s 工艺下的s a w 的驱动电路，且要求其输出电阻与声表面波滤波器的输入阻抗相匹配。具体设 计工作如下： ( 1 ) 主体电路是一个带有负反馈的运算放大器，并且运用了频率补偿技术来提 高电路的性能，反馈采用电流- 电压负反馈的形式，运算放大器选用两级运放 的结构。 ( 2 ) 构造一个全差分电路作为中间级( 也可理解为后级负反馈放大器的输入 级) 来实现电压一电流的转换，同时为后级负反馈电路的输入端提供合适的 直流偏直。 ( 3 ) 输入级电路主要是实现该电路模块和前级电路模块的缓冲隔离的作用，本 文采用了两个完全一样的有源负载的源级输出器来实现。 ( 4 ) 完成整个电路的版图设计工作。 1 3 本文的结构和主要内容 第一章主要介绍了本课题的研究背景和意义，简要说明了本课题的研究 的主要内容和本文的章节安排。 第二章叙述了本课题研究的基础知识，先后对基本的差分放大器、有源 负载反相器( 有源负载的共源放大器) 、电流镜电路、负反馈放大器基本理论 以及二阶系统频域和时域响应等进行了分析。 第三章详细的描述了s a w 驱动电路的设计过程，先对所设计的电路进行 了理论分析和研究，最后给出了电路的主要性能指标的仿真结果并对其做了 简要的说明。 第四章讲述了s a w 驱动电路的版图设计过程，包括设计中要考虑的设计 规则和一些匹配问题，在本章末给出了所设计的版图。 第五章是结束语，总结了本文的工作，并对不足之处提出了进一步的研 究的方案和设想。 3 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 第二章s a w 驱动电路的设计基础 2 1s a w 驱动电路主要性能参数介绍 在数字电视调谐器s a w 驱动电路中有很多设计参数，如：电压增益、增 益带宽、输出电阻、噪声系数、输入三阶互调点i i p 3 、输出反射系数s 2 2 、功 耗等等。下面就其主要的参数分别介绍一下。 ( 1 ) 电压增益，是s a w 驱动电路最为重要的参数之一。一般用s a w 驱动电 路的输出信号电压与输入信号电压的比值来表示，单位为分贝( d b ) 。电压增 益的表达式为 ：2 0 l o g - ( 2 一1 ) 其中a ，即为电压增益，k ，v o 分别为电路的输入，输出电压。 ( 2 ) 增益带宽，指符合一定增益要求的频率范围，通常用一3 d b 来定义，要求 比较高时也用一l d b 来定义。在s a w 驱动电路中要求最小的频率范围是3 2m h z - - 4 0m h z 。 ( 3 ) 输出电阻，由于s a w 驱动电路的输出采用双端平衡输出，这里的输出电 阻指的是指从电路的一端看进去的等效电阻即单端输出电阻，为了和后级的声 表面波滤波器实现阻抗匹配，此电阻值一般要求较小。 ( 4 ) 噪声系数n f ，是s a w 驱动电路的一项重要指标，它表示该级电路放大 微弱信号的能力，用输入信噪比除以输出信噪比的对数形式表示，单位为分贝 ( d b ) 。 噪声系数的表达式为 n f = 1 0 1 0 9 授 q 1 ， g e f & 表示输入信号，一表示输入端的噪声，表示输出信号，o 表示输出端噪声。 ( 5 ) 输入三阶互调点i i p 3 ，当输入为两个频率较近的信号时，输出信号中会 出现三阶互调输出( i m 3 ) 项。i i p 3 是指信号的基频输出与三阶互调输出相等 4 第二章s a w 驱动电路的设计基础 时对应的基频输入大小】。它是衡量电路线性度的重要指标。 ( 6 ) 功耗，由电源电压屹和总体电流l 决定，即用电源电压与总电流之积 来表示。 2 2c m 0 s 差分放大器 差分放大器在模拟集成电路中有着广泛的应用，如集成运放的输入级一般 都采用差分放大器的电路结构。 2 2 1c m o s 差分放大器工作原理 图2 - 1 c m o s 差分放大器 f i g2 - ic m o s d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r 图2 1 是一个差分放大器，m 1 ，m 2 是差分输入对，m 3 ，m 4 构成的电流 源作为负载，m 5 作为偏置电流源，提供电路的工作电流。如果m 3 和m 4 是完 全一致的，那么有i d 3 = i d 4 ，并且i d l = i d 3 = i d 4 。 ( 1 ) 当v g s i = v g s 2 时，流经m 1 和m 2 的电流相等，即i d i 。i d 2 ，使i d 4 = i d 2 ， 输出电流i o l l l = i d 4 i d 2 卸；( 2 ) 当v g s i v g s 2 时，有i d i i d 2 ，又由于 i d i = i d 3 = i d 4 ，因此i m i d 2 ，输出电流i o u r = i d 4 一i d 2 0 ( 3 ) 当v o s l l ，说明电路引入的是负反馈，并且如满足1 1 + 三 刮 l 条 件的负反馈，称为深度负反馈。上式表明，在深度负反馈条件下，闭环增益 只取决于反馈系数，而与基本放大器几乎无关。如果反馈网络是由一些性能 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 比较稳定的无源线性元件组成，则此时l z i 也是比较稳定的。显然，阶 大，越容易满足深度负反馈的条件，因此，具有高增益的集成运放组成的电 路很容易引入深度负反馈。 2 5 2 负反馈对放大电路性能的影响 负反馈使放大器的增益下降，却改善了电路的很多其它性能。 ( 1 ) 提高增益的稳定性 由于放大器的工作环境的变化( 如电源电压的变化、环境温度的变化、负 载的变化等) 会导致增益的改变但当引入负反馈后，会使闭环增益比较稳 定。 假设反馈网络是电阻网络，则开环增益、反馈系数、闭环增益均为实数，设 由于某种原因使开环增益a 变为( a + a ) ，变化量为a ，相对变化量为 a a ，它将使闭环增益由a f 变为( a f + a a f ) ，变化量为a f 相对变化量为 ( a f a f ) 。有( 4 圳，) _ 尚 由于a a b w ，频带展宽了，其中丑* ( 1 + h - i f i ) b w ( 3 ) 改变输入、输出电阻 负反馈对输入电阻的影响与反馈信号在输入端的连接方式有关。可以证 明，串联负反馈提高输入电阻，并且有反馈时的输入电阻是开环时的 1 4 第二章s a w 驱动电路的设计基础 ( 1 + h l 邴倍。并联负反馈降低输入电阻，并且有反馈时的输入电阻是开环时 的1 ( 1 + p i ) 倍。电压负反馈降低输出电阻并是开环时的1 ( 1 + i a i - i f i ) ，电 流负反馈提高输出电阻并且闭环是开环时的( 1 + 1 4 1 4 ) 。 ( 4 ) 改善输出波形的非线性失真 由于放大器电路中含有非线性元件，或受外界干扰，都可能引起输出波形 的失真。引入负反馈后，一定程度上可以取得改善。 2 6 二阶系统的时域和频域特性 很多运算放大器结构在合适的精度下可以近似为系统，这样的处理是在模 型精度和复杂度之间的一种合理的折中【1 3 】。一般的，一个二阶低通系统的传输 函数在频域中可以表示为 件嵩2 丽4 0 ) n 2 ( 2 - - 2 9 ) 由式( 2 - - 2 9 ) 可得到二阶系统的闭环特征方程为 s 2 + 2 氟j + 2 = 0 ( 2 3 0 ) 根据特征方程式( 3 3 0 ) 可以求出，二阶系统的两个特征根为 j 1 2 = 知。f 2 1 ( 2 3 1 ) 式中，孝为二阶系统的阻尼系数；( o n 为二阶系统的无阻尼自然振荡角频率( r a d 曲。 二阶系统的性能分析，应取决于f 和( o n 这两个参数，二阶系统的特征根在 s 平面上的位置，和阻尼比孝有关，共有以下五种情况：当孝 o 时，则二阶 系统的特征根位于s 平面的右半部，此时二阶系统对于任何形式的输入信号都 将产生发散的过渡过程； 当f = o 时，有s 1 2 = 一_ ，国。，表明二阶系统有一 对纯虚根，相应的阶跃响应为等幅振荡，称为无阻尼情况；当o 善 1 时，有 j 1 2 = 一善砘+ c a 。善2 - 1 ，表明二阶系统的特征根为两个不相等的负实根。其 单位阶跃响应也是非周期地趋于稳态输出，但响应速度比临界阻尼情况缓慢， 因此称为过阻尼情况。由此可见，f 值的大小决定了系统的阻尼程度。 在欠阻尼( 即0 0 7 0 7 。由上式 可以画出二阶系统在f 值时的增益幅度响应曲线如图2 - 9 。 数字电视谓谐器中s a w 驱动电路的设计 m 。 辫i ：o 3 善1 m u ；4 ”。 ! 型 了 嚣缌 ； 。分 j 冬 图2 - 9 不同f 的二阶系统的增益幅度响应 f i g2 - 9g a i nm a g n i t u d er e s p o n s ef o rv a r i o u so f 善a s e c o n d - o r d e r 2 7 声表面波滤波器 为满足中频通道幅频特性的要求，中频通道中广泛使用声表面波滤波器 ( s a w f ) 一次形成所需要的中频特性【瑚，它具有体积小、重量轻、不需要调整等 优点，非常方便。2 1 0 是其结构示意图。 人口r出d 口r 2 1 0s a w f 的结构 f i g2 - 1 0s t r u c t u r ef o rs a w f 声表面波滤波器是以压电晶体为基片，基片上敷上导电膜，并刻出梳齿状 电极。由梳状电极构成的梳齿换能器有两个：一个作输入，一个作输出。每对 梳状电极相互绝缘，交错对嵌。当输入换能器的电极上接上交流信号后，由于 压电效应，在电极间的压电晶体表面，产生了与外加电信号相同频率的机械振 动波，沿着基片表面传播，叫做声表面波。声表面波传到输出换能器时，由于 逆压电效应，声波在输出电极上又转换成了交流电信号，由电极两端输出。 换能器梳齿的宽度、间距、梳齿对数，决定了它的固有频率。当外加电信 第二章s a w 驱动电路的设计基础 号频率和梳状换能器固有频率相同时，激起的声波幅度最大，传输后，在输出 端转换为电信号的幅度也最大：当外加信号频率偏离换能器固有频率越多时， 输出电信号的幅度也就越小。可见，梳状换能器相当于一个l c 串联谐振电路。 由于声表面波的传播速度比电磁波慢得多，因此在一块压电晶体基片上，可以 做许多对梳齿，于是，声表面波滤波器就相当于是一个多级l c 滤波器。合理 设计梳齿的形状、大小、间距，制成的声表面波滤波器可取代各吸收电路和中 频谐振回路，并形成理想的中频幅频特性。 输入换能器的两组梳状电极之间有一定的静态电容( 用c i 表示) 和一定的 电阻( 用硒表示) ，同样，输出入换能器的两组梳状电极之间也有一定的静态 电容( 用c o 表示) 和一定的电阻( 用r 0 表示) ，如图2 - 1 1 所示。 强匪 图2 - 1 1s a w f 的符号与简单等效电路 f i g2 - 11s y m b o lf o rs a w fa n ds i m p l ee q u i v a l e n tc i r c u i t 图2 - 1 2 为s a w f 的幅频特性曲线。它具有普通l c 滤波器无法实现的、 良好的线性相位特性，因而改善了图像质量，并且使电路简洁，减少了调试工 序。但是s a w f 的插入损耗较大( 约1 5 2 0 d b ) ，因此，为保证有足够的中放 增益，往往在s a 、f 前加一级预中放。加以补偿。 图2 - 1 2s a w f 的幅频特性 f i g2 - 1 2m a g n i t u d er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cf o rs a w f 1 9 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 3 1 概述 第三章s a w 驱动电路的设计 在数字电视调谐芯片中，射频电视信号经混频器混频，输出固定频率为 3 6 m h z 的中频信号。为了补偿声表面波滤波器( s a w ) 的衰减，3 6 m h z 中频 信号需经一步放大。s a w 驱动电路是一个增益固定的中频放大器，将混频器输 出的中频信号进一步放大后输出，而且其输出阻抗要设计为低阻抗输出满足声 表面波滤波器的驱动要求。该电路在调谐器系统中位置如图3 1 。 图3 1s a w 驱动电路在系统中的位置 f i g3 - lp o s i t i o no f s a w d r i v ec i r c u i ti ns y s t e m 3 1 1 仿真工具和工艺模型 本次设计的所用的工具是m e n t o r 公司提供的i c 设计软件，应用 m e n t o r 公司的d a - i c 进行原理图输入，电路的仿真采用该公司的e l d o ， e l d o 是一个功能十分强大的电路仿真工具，它是s p i c e 仿真软件中的一种， 与其它的s p i c e 仿真软件有很好的兼容性。使用该公司的i c - s t a t i o n s 版图 设计软件完成了版图设计。 本次设计采用的是s m i c 的o i g u m 的c m o s 工艺，电源电压采用3 3 v 。 3 1 2 设计重点内容 本次设计的重点内容是带有负反馈运算放大器的设计。由于总体设计要求 第三章s a w 驱动电路的设计 高的频带宽度，才能有效的放大混频器送来的固定中频信号，所以该运算放大 器的单位增益带宽就要求很高。设计还要求在一定的频宽范围内，增益的变化 要求很小，在这里采用了负反馈来稳定电路一些性能，并且运用了频率补偿技 术，这是本次设计的难点。 3 1 3s a w 驱动电路的性能要求 本次设计所要达到的性能要求如下表： 表3 - is a w 驱动电路的性能指标 t a b l e3 - is p e c i f i c a t i o n o f s a w d r i v ec i r c u i t 参数类型参数值单位备注 电压增益 1 8d b 输入信号频率范围 3 2 4 0m h z 增益波动 o 5d b 8 m i - i z 带宽内 输出阻抗 7 5q 单端 噪声系数n f ( 2 2 1 0 ) c l ( 3 - 1 7 ) 由负载电容c l 选定c 3 后，用摆率指标和c 3 可以算出m 1 6 管的漏源电流1 1 6 1 1 6 = s 月q ( 3 - - 1 8 ) 下面根据正的输入共模范围来计算m 1 9 的宽长比 和南磊知 铲 根据对称性可知m 2 0 的宽长比同m 1 9 。 输入对管的跨导可由补偿电容和单位增益来确定，如下： g ，竹= g b ( c 3 ) 那么m 1 7 的宽长比可以由其跨导得到： ( 3 2 0 ) 夸”= 瓦9 2 t n l 7 c ，吲， m 1 6 的宽长比可以由负的输入共模范围来推倒得到如下式： 其中 ( 争旷而2 1 m 瑶6 ( s - 2 2 ) 圪忸6 = 最由十笋) 2 一7 ( 最为 ( 3 2 3 ) h 7 届，：，錾 , - a - t 由第二个极点等于2 2 倍的单位增益带宽来确定m 2 1 的宽长比( 且让 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 v o s z f v 6 s 2 1 ) c = c 嚣 选择m 2 2 宽长比达到1 1 6 和1 2 l 之间所希望的电流比 ( 3 2 4 ) c = c 和， c s z s ， 3 5 4 频率补偿的分析 常用的运放电路一般都包含许多极点，运放必须通过频率补偿来修正开环 传输函数，以使闭环电路稳定，并且时间响应性能良好。根据运放的性能要求， 在这里两级运放采用了补偿电容和调零电阻串联的补偿方法 2 习如图3 - 8 。 图3 - 8 两级运放的二阶小信号模型 f i g3 - 8s e c o n d - o r d e r , s m a l l s i g n a le q u i v a l e n tc i r c u i tf o rat w o - s t a g e0 pa m p 电路的节点电压方程如下： 鼬，噜砜州去m = 。( 3 - - 2 6 ) 巧+ 等崛：州去矾吲：o ( 3 - - 2 7 ) 篇=蚓掣(3-28)1 b sd s ( s ) + c s 2 + 其中口2g m j 7 9 m 2 2 r l l r 2 2 ( 3 2 9 ) 第三章s a w 驱动电路的设计 6 = ( q + g 比+ ( g 1 + g 强。+ 础l r 2 g + 足g ( 3 3 0 ) c = 陋l l r 2 2 ( c l l c 2 2 + c 3 c 2 2 + c 3 c 2 2 ) + r s c 3 l l c i l + r 2 2 c 2 2 ) 】( 3 3 1 ) d = r ll 坞2 r 5 c i l c 么c 3 ( 3 - 3 2 ) r i i 是第一级差分放大器的输出电阻，r 2 2 是第二级共源放大器的输出电阻， e l l 是差分放大器的输出端的分布电容，c 2 2 是整个电路输出端的电容主要是 负载电容c l 。 在这里，假设调零电阻r 5 小于r l 或r 2 ，极点相隔较远，由式( 3 - - 2 8 ) 可 以算出近似根为 一】一1 p l5 0 + g m 2 2 r 2 2 ) r n c 3 兰g = 2 2 r z 2 r u c 3 3 3 3 p ：= 币i - 五g m i = c 3 瓦i 兰- - g m - 2 2 ( 3 - - 3 4 )“c 1 。+ c 3c i + c 3 1 z 12 c 3 ( 1 g 。2 2 一r 5 ) ( 3 3 5 ) 由上式可见电阻可以独立控制零点，可以将零点从右半平面移到左半平面 的极点p 2 的位置。这样与输出负载电容有关的极点抵消了。在这里使 即 ! = 二墨苎丝 c 3 ( 1 g 。z r j ) c 2 2 由上式可以得到调零电阻r 5 的值为： ( 3 - - 3 6 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 在两级运放电路中用调零电阻可以得到很好的效果，即使接很大的负载电 3 l 致字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 容，运算放大器仍然可以具有很好的稳定性。 3 5 5 运算放大器主要性能参数仿真结果 ( 1 ) 运算放大器的频率特性仿真曲线 在运算放大器的输入端加a c 源进行a c ( 交流) 分析，仿真的频率响应曲 线如图3 - 9 所示。 口 霉 旨 已 - = 左 f r e q u e n c y ( h z ) 图3 - 9 运放频率响应曲线 f i g3 - 9t h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo f o pa m p 由图3 - 9 可见此运算放大器增益达到了7 2 d b ，单位增益带宽为7 6 m h z ， 相位裕度是6 7 度，可见电路是稳定的。 ( 2 ) 共模抑制比的仿真 共模抑制比的测试需要两个运放电路，一个连接成差模放大的形式：另外一 个连接成共模放大的形式。先测量差模电压增益，以d b 为单位，然后将共模信 号作用到输入端测量共模电压增益，同样以d b 为单位。c m r r 可以用差模电压增 益减去共模电压增益。仿真的结果如图3 1 0 。 第三章s a w 驱动电路的设计 图3 1 0 运放的共模抑制比曲线 f i g3 - 1 0c m m rf r e q u e n c yr e s p o n s eo f o pa m p ， 由仿真曲线可以看出在低频段运放的共模抑制比达到了 7 5 d b 。 ( 3 ) 电源抑制比的仿真 在集成电路中，电源噪声串扰是比较常见的问题，电源线中这些噪声会影响 运算放大器的输出，因此电路对这些噪声的抑制能力是一项重要的指标。电源抑 制比的测试，与共模抑制比相类似，需要两个运放电路，一个连接成差模放大： 另外一个在电源v d d 上加一交流小信号v s 。测量出输出端的电压变化v o 由电源抑 制比( p s r r ) 的定义式：船艘= 乡么可以画出电源抑制比( p s r r ) 曲线如 y s 图3 ii 所示。 图3 1 1 运放的电源抑制比曲线 f 蟾3 - i ip s r rf r e q u e n c yr e s p o n s eo f o pa m p 3 3 日霉暑：co= 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 由上图可以得出该运算放大器的电源抑制比( 频率低于1 兆时) 为9 2 5 d b 。 ( 4 ) 运放等效输入噪声的仿真 等效输入噪声的测试可以与a c 特性测试一同进行，仿真结果如下图所示。 图3 - 1 2 运放的等效输入噪声曲线 f i g3 - 1 2e q m v a l e m - m p mn o i s ec u l w 。o f o pa m p 由上仿真曲线可以看出运放的等效输入噪声在1 z 时为1 9 5 月y 瓦。 ( 5 ) 运放阶跃响应的仿真 将运放接成跟随器的形式，从同相端加一个o v 至t i v 的阶跃信号，其瞬态特 性如下。 ，一 ，7 7 j 0 1 t 一t n - 山，晒 图3 1 3 运放的阶跃响应 f i g3 - 1 3s t e pr e s p o n s eo f o pa m p 从中可以求出运放的压摆率大约为6 0 v u s 。 第三章s a w 驱动电路的设计 本节主要完成了对运算放大器的电路分析与设计，经过e l d o 仿真，各个 参数的电路仿真结果总结如下表3 3 。 表3 - 3 运放参数仿真结果 t a b l e3 - 3s i m u l a t i o nr e s u l t so f o p e r a t i o na m p l i f i e r 参数类型参数值 开环直流电压增益 7 2 d b 输入共模范围 0 1 8 v 共模抑制比 7 5 d b 电源抑制比 9 2 5 d b 单位增益带宽7 6 m h z 相位裕度6 7 0 转换速率6 0 v u s 功耗2 3 r o w 由上表可见，各个性能指标基本达到了设计要求。 3 6 偏置电路 该偏置电路的主要功能是一方面为缓冲放大级的负载管m 3 和m 5 的栅极 提供直流偏压，另一方面还通过m 0 及电阻r o 、r l 、i 匕为缓冲放大级的输入 管m 4 和m 6 的栅极提供直流电压，其提供的电压v d d i 为1 8 v 。具体的电路 如图3 1 4 所示： = 图3 1 4 偏值电路 f 螗3 1 4b i a sc i r c u i t 数字电视调谐器中s a w 驱动电路的设计 由图可见，m i ，m 2 管无衬底偏置效应，且v o s 2 = v d s 2 = v d d l ， v g s l = v d s l = v 叩l