（微电子学与固体电子学专业论文）cmos集成运算放大器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着集成技术的发展，s o c ( s y s t e m o n - c h i p ) 已经变成现实，并成为今后 发展的重要方向。s o c 采用深亚微米工艺制造和低压单电源供电方式，因此其 中的运放不但要具有传统运放的特性，如高增益，低失调等，还必须有尽量大 的共模输入范围和动态输出幅度。论文中将采用0 2 5 u r nc m o s 工艺，设计了 一种3 y 单电源供电的集成运算放大器。 所谓r a i l - t o r a i l 运放就是指输入共模电压范围和输出信号幅度都达到极限 值，即等于或接近电源电压的放大器。论文中将针对这一类运放的输入级进行 深入的分析，并提出不同的实现方法。 噪声限制了一个电路能够正确处理的最小信号电平，现今的模拟电路设计者 常要考虑噪声的问题，论文中详细分析了集成运放中的噪声的分析方法及噪声 优化方法。 对于超大规模c m o s 来说，闩锁是一个富有挑战性的问题。本论文对深亚 微米c m o s 工艺的闩锁问题进行了一些分析和讨论，并详细讨论闩锁的触发机 制和有效的防止闩锁的方法。 关键词：深亚微米运算放大器r a i l - t o - r a i l 恒定跨导噪声闩锁效应 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , s o c ( s y s t e m - o n - c h i p ) i s c o m i n gt r u e t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o c a r et h ed e e ps u b m i c r o m e t e rp r o c e s s a n dl o wp o w e rd e s i g n s os u c hk i n do fo p a m p ( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ) t h a tn o to n l y h a st r a d i t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hg a i n ，l o wo f f s e tb u ta l s oh a s 谢d ei n p u t c o m m o nm o d er a n g ea n do u t p u td y n a m i cr a n g ei sn e e d e d i nt h i sp a p e ra no p - a m p i sp r o p o s e du s i n g0 2 5 u mc m o sp r o c e s sa t3vs u p p l yv o l t a g e t h i sk i n do fa m p l i f i e r w i l lb ew i d e l yu s e di ns o cd e s i g n i no r d e rt om a x i m i z et h ed y n a m i cr a n g e ，al o wv o l t a g eo p a m pm u s tb ea b l et o d e a lw i t hs i g n a lv o l t a g e st h a te x t e n df r o mr a i l t o r a i lo ft h ep o w e rs u p p l y i nt h i s p a p e rw e w i l lm a k ed e t a i l e da n a l y s i so ft h i sk i n do fo p - a m p s n o i s er e s t r i c t st h el e a s ts i g n a lt h a tac i r c u i tc a nw o r ke x a c t l y , s oa n a l o gc i r c u i t d e s i g n e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt on o i s en o w m e t h o d so fa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n n o i s ea r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r l a t c hu pi sac h a l l e n g i n gi s s u ef o rd e e ps u b m i c r o m e t e rd i m e n s i o n sc m o s p r o c e s s t h et r i g g e r i n gm o d e so f l a t c hu pa n ds o m em e t h o d so fh o wt oe f f e c t i v e l y a v o i di ta r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d e e ps u b m i c r o m e t e r ，o p a m p ，r a i l - t o - r 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 ， n o i s e ，l a t c hu p i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 南苟 狮s 年s 月马日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 南苛 埘年歹月，多日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 愫硎学位论文作者签名： 丙钎 j 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： l 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) l 。、二一 第一章运算放大器的设计基础 第一章运算放大器的设计基础 模拟电子技术主要研究信号的不失真放大、产生、传输、变换、滤波、运 算等技术，其中信号放大是模拟电路最基本、最重要的信号处理功能之一，而 放大电路则是构成许多模拟电路的基本单元。半导体电路的信号放大，实则是 信号控制；晶体管和场效应管的放大功能，实际上是用小的输入信号去控制一 个有源器件，使器件的导电状况随着输入信号的变化而变化，从而得到一个与 输入信号变化规律相同的、但幅值却比输入信号大的电流或电压输出；这些电 流电压或功率输出实际上是来源于加在有源器件上的直流电源，因此放大器实 际上是一种控制器或能量转换器。 任何一个放大器，其性能都有好坏优劣之分，比如声音放大得大或小，这 就是“放大倍数问题；放出来的声音是否变调，这就是“失真 问题；男低 音或女高音能否区分出来，这就是“频率响应 问题所有这些都是放大器 的性能表征问题。 第一节放大电路的构建准则 运算放大电路的构建，至少应该遵守以下原则： l 、择合适的器件，以满足增益、带宽、输入阻抗或输出阻抗等参数的指标要求。 2 、要给器件加上合适的直流电源，并有一个合适的直流通路，以使器件有一个 合适的静态工作点。所谓“合适，一是要保证器件工作于放大区，二是工 作点位置要恰当，对所放大的信号不产生明显的非线性失真。 3 、要有一个好的信号通道( 或称交流通路) 。输入信号从信号源到放大器，放 大并传送到负载，要保证信号的畅通、高效，并且既不伤害信号源本身，也 不因信号源的引入而破坏已经设置好的电路的静态工作点。所谓畅通、高效， 是要尽量减小通道中的信号损耗或衰减，输入信号要尽量直接加到b j t 的发 射结上或f e t 的g s 之间，因为1 ，。f 或。对器件的控制是最灵敏的。 4 、大后的信号，应可靠取出并送入负载，负载的引入不应破坏电路的静态工作 点。 第一章运算放大器的设计基础 第二节集成运放的组成及工作原理 所谓集成运算放大器，是用半导体集成工艺，将运算放大器中的电阻、电 容、晶体管或场效应管等元器件制作在同一块硅片上，集合而成一块完整的放 大电路，故称集成运算放大器。集成运放与分立元件运放相比，不但体积小， 重量轻，而且性能好，故障率低，因为在同一块芯片上集成的元器件参数更具 一致性，电路的焊接、封装更安全，更可靠，使用更加方便。 1 2 1 集成运放的组成及特点 集成运放的一般组成如图1 1 所示，主要由输入级、中间级和输出级三大部 分组成。此外，还有为各级提供偏置电流的公共偏置电路及一些辅助电路，如 过载保护电路、电平转移电路及高频补偿电路等，图中的电容。是频率补偿电 容。 图1 1 集成运放的组成 输入级，位于电路的最前端，因此不但与信号源有一个接口问题，而且电 路的任何漂移、噪声或不稳定，都会被后级电路依次放大，进而对整个电路造 成严重影响。所以对输入级放大电路有严格要求：既要能提供一定的电压增益， 又要能适应不同的输入方式，如单端输入或双端输入，同相输入或反相输入等， 同时电路的稳定性要好、温漂和噪声要小。因此，运算放大器几乎毫无例 外地都选用差动放大器作输入极，因为差动放大器稳定性好，并且有两个输入 2 第一章运算放大器的设计基础 端，可以适合各种输入方式，可以灵活地组成多种反馈组态等。 中间级，其主要作用是提供足够的电压放大倍数，因为整个运放的电压增 益主要由中间级提供。中间级一般由1 2 级高增益放大器组成，因为级数越多， 相移越大，越不稳定。为了获得高增益，大多采用共射或共源电路。 输出级，位于电路的最末端，其作用是带动负载。所以为提高负载能力， 输出级电路总是由跟随器或互补推挽电路组成。其要求如下：一是输出电阻要 小，以便向负载提供足够的电流或功率；二是电路的动态范围要大，因为放大 电路终端的信号幅度较大。 偏置电路，其作用是向上述三部分电路提供偏置，一般由各种电流源组成。 1 2 2 偏置技术 用恒流源代替电阻对电路进行直流偏置，既稳定可靠，又可减小芯片面积， 提高电路集成密度，解决集成电阻精度不高和大容量旁通电容难以制作等问题。 同时由于恒流源输出电流基本不随输出端电压变化而变化，即输出电阻很大， 因而用恒流源作负载代替b j t 的集电极电阻砰或m o s f e t 的漏极电阻r n ，可 以获得极大的电压增益，而工作点电流却不必升高。基于以上原因，集成电路 中大量采用了电流源技术，从而使电流源成为线性集成电路不可缺少的基本单 元电路。 第三节差分输入级 差分放大也叫作差动放大或差值放大，其实质是将单端输入信号放大变为 二输入信号之差的放大，从而将电路形成对称结构，进而抵消因温度变化或电 源电压改变等引起的工作点漂移。由于这种差动式放大电路具有稳定性好、抗 干扰能力强等许多突出优点，所以几乎所有集成放大电路都用差放作输入级， 从而成为模拟集成电路中应用最广泛的电路。 一个好的差分放大器，应当是差模增益大，共模抑制能力强，频率响应好， 输入电阻大。 3 第一章运算放大器的设计基础 1 3 1b j t 有源负载差分放大器 集成电路中广泛采用有源负载差分放大器，其基本电路如图1 2 所示， 图1 2b j t 差分输入级 图中互、乃是一对差分对管，巧、五组成镜像电流源作差动放大器的有源负载。 静态时： l c l2 i c 32 l c 42 l c 2 纯差模输入时，如果 0 ，则增大，其增量电流 j l c 2g 一试| 2 所以 i d = i c 3 = i 0 4 = i q 2 + g i d 2 i c 2 = 1 0 2 一g 一谴 2 即 i o = 之4 一i 0 2 = g 。 如果输出端接有负载电阻r ，则差模电压增益为 如：显：i o r l ：r l v i dv 证 如果考虑到管子互、瓦集电极输出电阻不为无穷大， 模电压增益变为 如：导：警：g 。( 吃i i 乞：i ir 。4 ) 4 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 分别为么：，名。则差 ( 1 7 ) 第一章运算放大器的设计基础 1 3 2f e t 有源负载差分放大器 图1 3 所示是一个c m o s 差分放大器的基本电路，电路形式与上图所示的 b j t 电路完全类似。 图1 3c m o s 差分输入级 可得到其双端输入一单端输出的差模增益为 如g 删l ( g 凼l + g d 。e 1 ) ( 1 8 ) m o s 电路的最大优点是输入电阻大，但其跨导比b j t 小得多，所以m o s 电路的差模增益远比相应的b j t 电路小，共模抑制能力也差得多。 1 3 3j f e t 差分放大器 j f e t 差分放大器电路同m o s f e t 电路类似，其差模电压增益等特性与相应 的m o s f e t 电路也类似，只是j f e t 电路的偏置电流乇必须小于k ，其他不 再重复。 1 3 。4bic m o s 差分放大器 c m o s 电路和b j t 电路，各有优点，各有缺点，c m o s 电路的输入电阻大， 开关特性好，功耗低，特别适合大规模集成；而b j t 电路电压增益高，高频特 性好，带负载能力强。因此二十世纪八十年代末出现了双极型电路( b i p o l a r ) 和c m o s 电路相结合的新型集成电路- - b i c m o s 电路。 用m o s f e t 和b j t 组成的b i c m o s 基本差分放大器电路如下图所示： 5 第一章运算放大器的设计基础 v c c ii i 2 0 、一 a ，0 5 0 u ，o 、 2 0 u 、- ， 一1a u 图2 7 共模范围测试电路 d cr e s p o n s e 0 u t p 图2 8 尾电流、输出电平随共模电平变化曲线 1 7 第二章运算放人器的设计 共模反馈a c 特性 在高增益放大器中，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不 能通过差动反馈来达到稳定。因此必须增加共模反馈网络来检测两个输出端的 共模电平，并有根据地调节放大器的一个偏置电流。而共模反馈网络作为一个 反馈系统必然存在着稳定性的问题，因此我们有必要测试共模反馈的交流特性 以保证整个电路的稳定性。测试电路如图2 9 所示，运放的输入端和共模反馈的 参考电平端接共模信号，共模反馈输入端接交流信号，将电路接成负反馈形式， 而其中大电容的作用是提供交流地( 电容尽可能大，我在测试中选取的是c = i f ) ， 从而在共模反馈输入端只提供直流反馈的作用，对交流信号来说是开环的，这 样就可以得到共模反馈通路的交流特性。通过仿真结果可得到共模反馈相位裕 度6 2 。，符合设计要求。 u 图2 9 共模反馈a c 特性测试电路 1 8 1 ， 肚：芦与 n = h n 只 p 仿真所得幅频、相频曲线： 运放a c 特性分析 ， 署 击 ： 图2 1 0 共模反馈回路a c 特性曲线 u 础f e rt 毹a p a 枷腓：晡叠1 螂1 2 删 a cr e p o 帖6 图2 1 1 运放a c 特性曲线 1 9 第二章运算放大器的设计 t h d 分析 运放的失真最大的来源是输出级。在输出级交替输出时，n 管或p 管栅极电 压升高或降低很大的幅度。在靠近顶点处，n 管或p 管脱离饱和区成为失真的 来源，等效于在输出级并联一个失真的电压源，注入到输出信号中去。在闭环 应用中，失真可以用高的运放增益抑制，但是在功放输出功率时，运放的输出 级由于有器件脱离饱和区，输出级的增益损失了，这时的运放增益由输出级之 前各级电压增益决定。失真的量由t h i ) 表征，t h d 越小表明失真越小。 u n e b u f f e rt e s l _ o p 0 2s c h e m a t i c ：o c t1515 ：5 6 ：5 52 0 d 3 t r o n s i _ e n lr e s p o r i s e 4 a 翻 4 ： d b 2 a ( d f t ( w a v e w l1 s l i l ( ) oa o g a 2 52 0 4 8 ”r e c 国，a q ，o 。- 、 箜一4 彩，1 2 f 弋了 、_ 一一 一8 彩，a 图2 1 2 瞬态曲线的d f t 分析 共模电平发生偏差时特性分析： 1 4 彩 1 3 0 1 2 彩 一1 1 a 1 a 彩 9 0 0 m i i ：o u t p d cr e s p o n s e o m 图2 1 3 输出共模电平随共模反馈偏置电压变化曲线 第二章运算放大器的设计 共模反馈的参考电平v c m n 由基准电路产生，本设计中v c m n 为1 2 v 的 直流电平。随温度条件、工艺条件等因素的变化，基准电路的输出会产生偏差， 在对运放的仿真中，我们考虑参考电平v c m n 变化范围为1y 到1 4 v , 其a c 特性如下图所示： a cr e s p o n s e 1 9 0 a d o 零一1 0 0 卫 d - 2 0 0 - o 、一 一3 d 0 - 4 0 0 图2 1 4 偏置电平变化时的a c 特性 由仿真结果可看出，输出端的共模电平跟随共模反馈偏置电平，共模电平 发生变化时a c 特性曲线基本不变，保持正常工作。 2 1 第二章运算放大器的设计 第三节版图设计 本论文中设计的运放用于d a c 系统的输出b u f f e r ，其整体版图如图2 1 5 所 图21 5a d c 输出b u f f e r 版图 需要特别指出的是版图中和外部引脚相连的器件需要考虑e s d 保护问题 在画版图时，在这些管子的栅极和漏极之间加入了s a b 层，如图2 1 6 所示。 第二章运算放大器的设计 7、 l 群 零ql 荔? 爹 彩j ；钐i甏 震 麓 溪 乎谚 ，； 麓童琵 7 疑 z 豳，j 簇勿萋隧鍪 翁； ：，翻：， 稳； 荔 ；翻i 魉： 缓 固7 j 国：7 爹：； 匆髦7 国一 i 翟： 霪玉：； 缀 弱g 缎； 貉2 sl 戳 d k s 图2 1 6 运放输出管版图示意图 版图中所用电容是m i m 电容，在画电容时应保证每个电容的周围条件相同。 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 第三章r a iit or a ；i 运算放大器的研究 随着运算放大器的集成化和性能不断改善，其应用范围越来越广泛，几乎 涉及模拟信号处理的各个领域。所谓r a i lt or a i l 运放就是指输入共模电压范围和 输出信号幅度都达到极限值，即等于或接近电源电压的放大器。这类运放在s o c 中将有广泛用途。 第一节集成运算放大器的应用 集成运放除广泛地应用在信号的运算外，还应用在小信号的放大、有源滤 波、电压比较、正弦波的产生、波形变换、信号转换、直流稳压电源及频谱变 换等方面。 在上述各种应用中，运放通常被接成以下几种结构： r 2 图3 1 反相放大器 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 v i p v i n v i n v i p 图3 2 同相放大器 图3 3 跟随器 图3 4 全差分结构 v o n v o p 图3 5 差分输入一单端输出 2 5 v o 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 推挽输出级能够使得输出信号的幅度可以达到v d d 或v s s ( g n d ) ，也就是 所谓的输出轨到轨( r a i lt or a i l ) ，本章主要讨论r a i lt or a i l 输入级。在运放的不同 应用结构，比如在反相放大中，r a i lt or a i l 的共模输入范围是没有必要的，而在 其它应用中，则对共模输入范围提出了不同的要求。就电压跟随器而言，r a i lt or a i l 的共模范围是很必要的。为了使运放工作在不同的反馈条件下，也需要r a i lt or a i l 的共模输入范围。 第二节如何得到r a i it or a i 共模输入范围 3 2 1 跨导恒定的必要性 为了得到r a i lt or a i l 的共模输入范围，通常把n 型和p 型差分对并联使用， 如下图所示： 啪 啪 以n + ( a )( b ) 图3 6r a i lt or a i l 输入级 如果简单的把输入级并联，输入级跨导与共摸输入电平的关系如图3 7 所示： 2 6 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 在r e g i o ni ： 在r e g i o n i i ： 在r e g i o n l i i ： v d d c o m m o nm o d ev o l t a g e 图3 7 跨导随共模电平变化曲线 当输入共模值很小时，n 管截至，p 管工作在饱和区，输入级的总 跨导g 。7 = g m p = ； 当输入共模值为电源电压一半时，n 管和p 管都工作在饱和区， 输入级的总跨导g m 7 = g 卵+ 。= 2 9 i n ( 假设此时= g 。) 当输入共模值接近电源电压时，p 管截至，n 管工作在饱和区，输 入级的总跨导g 卅r = g 。= g 。 如果简单地把n 管和p 管并联，输入级跨导随共模电平变化，变化范围为 1 0 0 。例如，对于简单的两级运放 图3 8 两级运放示意图 2 7 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 传输函数为： ，差祟：厶芒乞 。， 其中4 0 = 墨笸- 韭，为运放的直流增益 g o 、g l p 1 ：g b - w ：虽刍，仍：争，z ：笋，其中见见，z 是由m i l l e r 补 1 44 q c 册 一1 偿电容引入的零点。g b w 为带宽增益积，g b w = 争，g b w 与运放输入级跨 导岛l 成正比。 因此我们不希望输入级的跨导发生变化，因为g m l 的变化会使得频率补偿 难以达到最佳，影响到系统稳定性，并且会引起增益的变化，从而产生大的谐 波失真。 考虑输入级变化对反馈系统的影响 图3 9 反馈网络 图中，如( 5 ) 为运放开环增益，h f b ( s ) 为反馈系数，其闭环增益 如( s ) = 瓦雨1 瓦而 ( 3 2 ) 如果开环增益如( s ) 随共模电平发生变化，那么闭环增益也会发生变化，从 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 而会在输出引起非线性失真，在高频如( s ) 值很小时，这种情况尤其严重。因此， 我们希望运放在共模输入范围内输入级跨导能够保持恒定。 3 。2 2 电流互补电路，保证i n + l p 的恒定 以双极性电路为例，如图3 1 0 所示，输入级尾电流由电流源j 刖提供，当共 模电平高于基准电平圪，6 0 m v 左右时，聊岬管截至，。流经q 5 ，通过电流镜 q 6 ，q 7 为n p n 管提供尾电；随着共模电平降低，刖部分电流为n o 管提供尾 电流；当共模电平低于基准电平圪，6 0 m v 左右时，n p n 管截至，刖电流全i 部 流经p n p 管q 3 、q 4 。双极晶体管跨导与发射极电流成正比，因此发射极电流 和恒定，可以保证输入级的跨导恒定。 图3 1 0 电流互补电路 2 9 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 3 2 3 平方根电路，保证( i + i ) 恒定 图3 1 1 平方根电路 q - 作原理如f ，首先要保证输入管工作在强反型区，即满足平方律特性，该 平方根电路通过使输入管尾电流的平方根之和( 厄+ i ) 不随输入共模电平变 化，从而可以保证g m 恒定。 假设电路中偏置电流濂i b l = i b 2 = i b 3 = l b 4 = 4 i r e f , 当共模电平在 v d d i l 一 v d d 范围内，输入级只有n 管工作，电流开关m b 6 关闭，尾 电流i n = 4 i r e f i 当共模电平在v s s - v s s + + 范围内，输入级只有p 管工作， 尾电流i p = 4 i r e f m b 3 和m b 4 的栅源电压和由偏置管m b l 、m b 2 确定，分析 可知流经m b 4 的电流等于i n ，流经m b 3 的电流等于i p 。 。= 压，。= 接 ( 3 3 ) 假设k = 丢肇= 互i 作( 詈) 尸二三脚夸 因为 。+ ，= 。+ ：= 据机| + 怯机b 删( 3 - 4 ) 3 0 仿 因此 厄+ 厄= 2 厍一枷 由上述分析可知，输入级总跨导 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 2 0 9 1 0 0 0 够o 口 名- - 1 0 0 皿 - 0 、一- 2 0 0 - - 5 0 0 4 彩0 图3 1 2 输入级尾电流平方根随共模电平变化曲线 图3 1 3 共模电平变化时的频率特性曲线 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 1o a 9 a o b 毋，口 号 7 a 翻 6 0 ，口 5 a a 4 白口 a cr e s p o 几s e 图3 1 4 低频增益随共模电平变化曲线 表3 1 频率特性参数 i n p u tc m ( v )b a n d w i d t h ( m ) p h a s em 蜉m o 22 5 28 0 1 2 5 l8 0 22 4 17 8 2 82 3 97 8 这种电路结构需满足k = 丢肇= 互1 牌i w ) 尸= 互1 ) 关系， 而且结构相对复杂，完全依赖m o s 管的平方律特性。在深亚微米工艺中，平方 律关系发生偏离，应用此电路时g m 会产生很大的偏差。 3 2 4 电流选择电路 n 型和p 型晶体管并联使用作为输入管，输入级的工作可分为三个区域， 通过电流选择电路，选择每个区域中差分对电流较大的作为输入级的输出电流， 只要满足输入管n m o s 管或p m o s 管的跨导岛m 戡相等，即可以保证输入级总 3 2 第三章r a i lt or a i l 运算放大器的研究 烤寻但疋。 工作原理如下，电路工作时，流经输入管的电流可表示为： ，= 等坛詈 如图3 6 ( a ) 所示，假设+ 一，则流经输入管的电流为 枷每塌，等 i n ：= - f - 5 。 喝，詈 。= 每+ g 了v u k = 鼍+ g m , p 一 假设k = 互1 ( w = 丢心( 尸= 三) 在r e g i o ni ： 厶 ( = 厶) ，g 舢 g m p ( 2 9 m 一) 枉r e g i o n i i ： i n = i p e1 0 ，g 嗍= g 婶= g m 麟 在r e g i o n l h ，p ， ，( = ，b ) ，g 。 作，因此选用n m o s 做输入管可以得到较小的热噪 ：士 户o 4 9 第四章集成运放的噪声 4 2 21 噪声分析 m o s 器件等效到栅极的1 f 噪声可表示为 丁k f 厂 2 芴翥 ( 4 1 0 ) 考虑图4 2 中输入端等效1 厂噪声电压，将式( 4 1 0 ) 代入式( 4 6 ) 可得到： 巧= 卫l a p c 2 0 , , w 虻2 i _ 2 f 旧蚓 通过合理选择器件尺寸，可以对噪声进行优化，将上式对三：求导 唾一o ，删 卜跞l ( 4 。1 2 ) 由式( 4 1 1 ) 看出增大w 2 或l 4 的尺寸会减小1 厂噪声，同时注意到在c m o s 工艺中职通常是缉4 1 6 倍，因此在选择输入器件的时候必须要考虑到这一 点。 第四章集成运放的噪声 第三节f o id e dc a s c o d e 运放噪声分析 、n d h 上 l 1一 、b i j 1 一 l - i m 鬟晰l m i i j 、w r 一- - 一 ll 甜1 0i 啪 b 憾 罡一l 17 一一 j c 譬r m 1m 2 m 6m s b m 堙广 广 l 1 l _ m 4 lm 3 l r 一广 r l 1 l - 图4 3f o l dc a s c o d e 两级运算放大器 考虑图4 3 中f o l d e dc a s c o d e 运放的噪声，信号通路上的管子对噪声贡献较大， 在下面的分析中可以看到，级联器件产生的噪声很小，可忽略。 输出噪声电流表示为： 艺= 磊。吒+ g 乞唬+ g 乙吒+ 晶吒+ 嚷，壤+ 砖。壤 + 蠢，喝+ 爵。壤+ 砩，屹+ g 三。吒。 若厶= 。= 2 i , = 2 厶，由于对称性 虿= 2 ( 磊。- 7 ，+ g ：。磊+ q ，忑+ g ：，磊+ 砩。磊) 瓯三有效跨导 上式中瓯，= g i n 5 i i 厕g i n 9 - 2 砾g i n 9 因为吃1 ，因此可忽略级联器件产生的噪声， 输出噪声电流可表示为： 5 l ( 4 1 3 ) ( 4 1 9 ) 第四章集成运放的噪声 虿= 2 ( g ：。j l o + g m ，磊+ g ：，磊) 等效到输入端，得到输入端噪声电压为： 巧= 吾l o = 2 磊+ g i n 3 1 2 磊+ g i n 7 1 2 磊 4 3 1 热噪声分析 ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) 考虑图4 3 中输入端等效热噪声，将式( 4 7 ) 代入式( 4 1 6 ) 可得到： 吒= 4 k b t r , , a f 其吣砉h + 等”咖g i n 7 。( 训 兄= 南卜+ ( 4 1 7 ) ”咖酗拂) 由分析可知，增大s l 和1 1 可减小热噪声，在设计中还考虑2 心邑作s ，s ，l s , 的关系。由于以 昨，所以选用n m o s 作为输入管可以得到较小的热噪声。 4 3 2 1 f 噪声分析 考虑图4 3 中输入端等效1 厂噪声，将式( 4 1 0 ) 代入式( 4 1 6 ) 可得到： 瓦= 篇 + 婴s m f ，t 生s 岣、1 j 2 饼 将上式对厶求导，豢= o ，得到弛 1 吱= 2k 瓯f , , 葛1 + i 1 ；- 十了 瑶k f 玫匕 ( 4 1 9 ) ( 4 2 0 ) 应合理选择l l 尺寸，并注意到w l 、l 3 、l 7 都是独立参数，因此增大这些参 5 2 第四章集成运放的噪声 数尺寸会减小闪烁噪声，充分考虑工艺参数关系咒形( c 三) 等综合影响，可进一 步优化噪声特性。 第四节反馈系统中的噪声分析 在运放中我们主要考虑器件的热噪声和v f 噪声。我们在同一坐标系中画出 两个谱密度，图中的交叉点对应的频率称为1 厂噪声的转角频率，定义为以。 1 厂噪声的功率谱可简化为 己= k e f j f ( 4 2 1 ) 其中疋为与工艺有关的常量， 热噪声在某一温度下的功率谱可表示为 云：c ( 4 2 2 ) 其中c 为一常数。 由图可知 c = k e | f c ( 4 2 3 ) 1 i l l l t 。 l 一j ，、 一 图4 41 厂噪声的转角频率 考虑某一频段五一厶的噪声 5 3 f 第四章集成运放的噪声 1 厂噪声可表示为 一e ：2 = 舅疋何= 疋h 鲁= 睨h 尝 热噪声可表示为 一e , 2 = c 矽= c ( 厶一无) 则在噪声分析频段内总的噪声可表示为 了= 孑+ 孑= c ( 仙鲁+