（微电子学与固体电子学专业论文）基于05μm+cmos工艺低压多级放大器设计.pdf

摘要 摘要 集成电路工艺的进步，导致m o s 管的器件尺寸和电源电压都下降了，但是管 子的阈值电压却没有随之成正比例的下降，随着电路设计转向低压低功耗需求， 对电路的频率补偿技术也有了新的要求，补偿方式不仅要降低功耗，还必须适合 低压低功耗电路的拓扑结构。 跨导型运算放大器是模拟和混合信号电子系统的基本组成模块，本文将要设 计的是一种用于误差放大的低压低功耗多级放大器，要求具有高增益、大带宽并 且能驱动大的负载电容。论文基于运算放大器的基本原理，首先对运算放大器的 基本组成电路和多种频率补偿技术进行了介绍，为电路设计做了必要的理论支持， 然后，以相位裕度为主要设计参数，对整个设计过程做出说明。 基于0 5 岫c m o s 标准工艺，使用h s p i e e 仿真，驱动5 0 0 p v 负载电容，三级 放大器的直流增益为1 1 0 d b ，单位增益带宽为1 m h z ，相位裕度为6 0 。，平均摆 率为1 0 v u s ，在1 5 v 电源电压下功耗仅为0 1 8 m w ，达到设计要求。 关键词：模拟集成电路c m o s 多级放大器频率补偿低压低功耗 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea d v a n c e m e n ti ni n t e g r a t e dc i r c m t ( i c ) t e c h n o l o g yh a sr e s u l t e di ns c a l i n gd o w n o fd e v i c es i z e sa n ds u p p l yv o l t a g e sw i t h o u tp r o p o r t i o n a l l ys c a l i n gd o w nt h et h r e s h o l d v o l t a g eo ft h em o st r a n s i s t o r a s s o c i a t e dw i t ht h et r a n s i t i o nt ol o wv o l t a g ec i r c u i t d e s i g ni sad e m a n df o rf r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e st h a ta r ed e d i c a t e dt ot h en e w c o n t e x t ：c o m p e n s a t i o ns t r a t e g i e sw h i c hd e c r e a s et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，b u ta b o v ea l l w h i c ha r ec a p a b l eo fh a n d l i n gt h es p e c i f i cd e m a n d so ft h el o w v o l t a g ea n dl o wp o w e r a m p l i f i e rt o p o l o g i e s t h eo p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ( o t a ) i sab a s i cb u i l d i n gb l o c ki n m o s ta n a l o ga n dm i x e d s i g n a le l e c t r o n i cs y s t e m s i nt h i sp a p e r , w ew i l ld e s i g na h i g h g a i n 、w i d eb a n d w i d t hm u l t i s t a g ea m p l i f i e rd r i v i n gl a r g ec a p a c i t i v el o a dw h i c hs e r v e s 舔 e r r o ra m p l i f i e ri nl o w v o l t a g ea n dl o w - p o w e rc o n d i t i o n b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo f o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eg e n e r a lp a r t so ft h ea m p l i f i e ra n d m a n yk i n d so ff r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h i sg i v e sn e c e s s a r yb a s i c t h e o r yf o rt h i sw o r k t h e nw ee x p l a i nt h ew h o l ed e s i g np r o c e d u r e ，i n t r o d u c i n gp h a s e m a r g i na sm a i nd e s i g np a r a m e t e r t h r e e - s t a g ea m p l i f i e ri si m p l e m e n t e db yas t a n d a r d0 5 一心 1 lc m o sp r o c e s sa n d s i m u l a t e dw i t hh s p i c e w h e nd r i v i n ga5 0 0 - p fc a p a c i t i v el o a d ，t h ea m p l i f i e ra c h i e v e s 110 _ d bd cg a i n ，1 - m h zg b w , 6 0 。p h a s em a r g i n ，a n d1 1v u sa v e r a g es l e w r a t e ，w h i l e o n l yd i s s i p a t i n go 18 - r o wp o w e ra t1 5 vs u p p l y a l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es a t i s f i e d w i t hp r e d e f i n e ds p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t s f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o n c m o sm u l t i s t a g ea m p l i f i e r l o wv o l t a g ea n dl o w p o w e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盔型 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期童竖：厶望 日期童坚递：呈兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景和研究意义 随着便携式电子产品的迅速发展，功耗成为现代集成电路产品的关键性能之 一，而降低功耗的一个重要方法就是降低电源电压。另一方面，现代集成电路特 征尺寸越来越小，也导致集成电路产品的工作电压越来越低。1 9 9 9 年，半导体工 业协会对未来十年c m o s 电路的电源电压发展做了预测，预测到2 0 1 0 年，集成电 路的电源电压将下降到1 v ，而到2 0 1 5 年，电压将进一步到0 4 5 v 。 尽管数字电路起着越来越重要的作用，数字化已经成为当代电子产品的发展 方向，但模拟电路作为数字电路的基础，仍然起着不可替代的作用。大量电子设 备的原始信号均为模拟信号，如电磁记录、扬声器、麦克风等，它们所产生的信 号均为模拟信号。这些信号在进行数字处理前必须先经过模拟信号处理，如放大、 a i d 转换等。同时，数字化处理以后的信号必须再次还原为模拟信号，才能重新 为现实世界所接受。近年来，单片系统集成s o c 发展非常迅速。然而，从技术角 度看，数字系统的单片集成并不困难，难点在于模拟部分的单片集成。在c m o s 工艺日益发展的今天，采用c m o s 技术制造的低电压模拟电路的设计过程已经成 为人们研究的热点。在新的设计要求下，如何设计出性能合适的电路是我们需要 研究的主要方向。 运算放大器是模拟及数模混合电路中的一个重要基本模块，随着电源电压从 传统的1 2 v 、5 v 不断降低，以往的运放结构已经无法满足电路设计的需求。而且， 信号的动态范围也因电源电压下降而极大的降低。为了提高电路的信噪比，获得 稳定的工作区域，补偿技术是关键之一。近年来，在传统的单个电容密勒补偿的 基础上，新的补偿技术不断出现。运放的补偿也成为设计中必备环节之一，在新 的条件下，研究开发采用合适补偿技术并且具有高度性能指标的放大器就变得十 分重要。 与传统的双极型运放相比，m o s 工艺的运放在增益、失调、速度几个特性方 面略差。但是m o s 运放集成度高，噪声小，而且可以在低电源电压下工作，所占 面积只是同等双极型运放的2 0 或者更小。随着器件的特征尺寸不断缩小，m o s 管运放更由于其可以等比例缩小的特性，得到了极大发展。现在，运放已经被广 泛应用在几乎所有的电子系统设计中。除了通用的运算放大器模块外，针对某些 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，产生了高速型、宽 带型、低功耗型等不同种类的运放。现在，对于运算放大器主要有下列几个方面 的发展课题：1 ) 低压运算放大器，主要在低电压状况下保证工作特性；2 ) 双极 性运算放大器，主要在于改进电路的输入特性；3 ) b i j e f t ，主要在于改进其输 2 基于0 5 9 i nc m o s 工艺低压多级放大器设计 入电路噪声；4 ) 混合运算放大器，主要在高速和大电流缓冲中应用；5 ) 单片功 率运算放大器，散热问题使其发展的主要障碍；6 ) 仪器运算放大器，它在输入失 调电压和电流方面要求很严格；7 ) 介质隔离运算放大器，在抗辐射方面得到了很 好的应用。 然而，随着电子技术的飞速发展，电子仪器的电源电压越来越低，针对低电 压情况下如何保持运放的性能指标，获得较好的稳定工作状态，已经成为当前设 计的热点问题。低压技术中，首先得到广泛采用的是多级放大器技术，因为在应 用中单级放大器不再适合低电压设计。同时，亚微米c m o s 器件的短沟道效应使 增益和输出摆幅不断下降，频率特性不断变差。因此，在设计中采用频率补偿技 术就显得非常必要。 1 2 低电压低功耗设计的限制因素及国内外现状 从电子设备设计人员的角度来看，其业内有一种说法，即“电源电压越低越 好”。尽管动态功率主要取决与电源电压、杂散电容和工作频率，但是总电源电压 的影响还是居于主导的地位，因此，伴随着电源电压的降低，电路的功耗也会大 幅度减少。运算放大器发展的一个方向是低压低功耗，低电压运算放大器的设计 适合于运算放大器工作在电源电压在1 1 5 v 的范围，这样的低电压低功耗要求对 运算放大器产生了深远的影响： 1 ) 由于电源电压的降低，信号的动态范围减小，同时，噪声信号幅度相对增 大，放大器的信噪比降低。 2 ) 为了扩大信号的动态范围，低电压运算放大器通常需要输入输出的信号范 围能达到全摆幅。 3 ) 低功耗条件下，运算放大器的单位增益频率受到很大影响。尤其是在负载 电容不断减小时，偏置电流的降低将使运算放大器的单位增益带宽显著减小。 4 ) 为了得到较大的直流电压增益，低电压运算放大器需要串联较多的增益级， 这将使得运算放大器的频率补偿变得复杂，同时频率补偿部分的电路也将不可避 免的消耗功耗。 即使在数字技术高度发展的今天，模拟集成电路在各种电子系统中仍然有着 不可取代的重要作用，完整意义上的系统集成技术应该看作模拟和数字i c 系统的 混合集成技术。在市场需求的强劲驱动下，低电压低功耗集成电路技术得到了很 大的发展。然而，迄今为止，其主要进展还是在数字集成电路与系统领域，在模 拟集成电路技术领域，虽也取得了一些进展，但其成熟程度远不能与数字集成电 路领域相比。如前所述，模拟i c 的低压低功耗设计需要迎接诸多挑战，遇到的困 难比数字集成电路和纯数字系统更大，它虽然属于集成电路低功耗设计的一个分 第一章绪论 3 支研究领域，但却更具有挑战性，目前急待进一步发展和深化。因此，低电压低 功耗模拟集成电路的研究引起了广泛的重视与关注。运算放大器是模拟电路设计 中用途最广、最重要的部件。大量的具有不同复杂程度的运算放放大器被用来实 现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。随着电源电压的降低，传统 的运算放大器结构已经不能满足设计指标的要求，各种新结构的低电压低功耗运 算放大器已经大量涌现出来。 1 3 论文的主要工作 跨导型运算放大器在模拟和混合信号电子系统里是基本的核心模块，具有高 增益、大带宽、电容驱动能力强的运算放大器，在低压下得到的应用越来越多。 随着电源电压在持续降低，阈值电压没有随之成正比例的降低，这使得高性能运 算放大器的设计变得越来越困难。传统的垂直型增益增强技术不再适合于低压应 用，必须使用水平增益增强技术，通过更多的增益级，如三级放大器来获得足够 的增益。但是放大器每一级都不可避免的引入低频极点，多级会导致带宽严重减 小，因此需要额外的电容来进行频率补偿以提供足够的闭环稳定性。为此，报道 了很多种频率补偿结构来增加多级放大器的稳定性、频率及瞬态响应。 用在线性调整器里的误差放大器，要求高增益、大带宽并且能够驱动很大的 负载电容，往往负载电容达到n f 数量级。设计这类放大器的瓶颈在于，输出极点 内移到离主极点很近，很大的限制了带宽，并且在低功耗和小面积双重限制下， 频率补偿变得很困难。电容补偿和前馈路径补偿是两种最常见的多级放大器频率 补偿方法，大多数能够驱动大负载电容的多级放大器频率补偿结构，都是利用两 个电容进行补偿，这两个电容会占用很大的芯片面积，特别是负载电容很大时。 有一些频率补偿结构利用有源电容来减小所需的物理电容，从而减小芯片面积。 但是这类频率补偿结构的多级放大器的单位增益带宽( g b w ) 被限制了，因此需 要更好的频率补偿结构来增加单位增益带宽，但是不会牺牲功耗和面积。 本文的目的主要是要设计一个低电压高增益带宽的多级c m o s 运算放大器， 与传统运放相比，它主要有以下特点：1 ) 开环增益在低频段能保持稳定；2 ) 频 率特性好，具有合适的相位裕度；3 ) 结构简单，补偿电路不需要占用过多的芯片 面积，有助于降低功耗和减小芯片面积。本论文将低电源电压下带有频率补偿的 多级放大器作为研究对象，采用0 5 “m c m o s 工艺模型进行设计与仿真，通过对运 算放大器的原理分析和多种频率补偿技术的分析比较，本文给出了合理的设计方 案，设计出了三级c m o s 运算放大器和偏置电路，并对总体结构进行了分析说明。 然后借助仿真软件h s p e i e 对电路进行了完整的设计和模拟仿真，包括放大器的开 环增益、频率特性、电源抑制比( p s r r ) 、共模抑制比( c m r r ) 以及摆率( s r ) 4 基于o 5 儿mc m o s7 - 艺低压多级放大器设计 的仿真。 本文的章节是这样安排的： 第一章为绪论，说明了本课题研究的背景和意义； 第二章阐述了运算放大器的基本组成电路和低压设计的背景知识； 第三章详细介绍多级放大器频率补偿结构，并对它们之间的性能做了比较分 析； 第四章讲述了带频率补偿的多级放大器具体设计，给出了设计流程，并借助 仿真设计软件h s p i c 宅对电路进行了模拟仿真； 第五章为结论，对全文做了总结。 第二章放大器设计的基础知识 第二章放大器设计的基础知识 随着v l s i 电路复杂度与集成度的日益增长，计算机辅助模拟软件已经成为了 电路设计分析过程中必不可少的工具。集成电路专业模拟软件( s i m u l a t i o np r o g r a m w i mi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ，s p i c e ) 便是一种电路设计中不可或少的计算机辅 助工具，它在电路设计中得到广泛的使用。借助于s p i c e 这一强大的工具，人们 可以对各种电路进行模拟，并且在真实地制作出元件之前，便能准确地预测出元 器件的性能。反之，准确地提取和理解器件的模型参数是有效利用s p i c e 这一工 具的关键。在一块集成电路中，需要使用到的器件具有多种类型，其中包括二极 管、f e t 和双极型晶体管，单独的各个元器件的工作特性是各不相同的，更为重 要的是每种模型既具有一些独特的特性又存在不少细微的差异。 在采用c m o s 技术设计集成电路之前，首先必须具有能够描述设计中所要使 用的元器件性能的模型，模型可以采用数学表达式、电路图或者图标的形式。 c m o s 器件常用的有3 种模型：第一种是最简单的模型，可以用做手工计算。 在s p i c e 中，这个简单模型被称为l e v e l l 模型。第二种是相对复杂的模型，即 s p i c el e v e l 3 模型，此模型包含了许多类似与亚阈区导通一类在现在短沟道工艺 中更为明显的效应，当器件几何尺寸达到o 8 u m 以下时，这种模型和使用。第三 种为b s i m 3 v 3 模型，这是最可能成为计算机仿真标准的模型。 2 1 简单的m o s 大信号模型 2 1 1m o s f e t 的伏安特性 对于n m o s 器件【1 h 2 】： = t u c o f w ( 一咋) 一呼) 式( 2 - 1 ) 式中，乇为漏电流，v o s 为漏源电压，“。为n 沟道器件的表面迁移率，c 。为单位 面积栅氧化物电容，w 为有效沟道宽度，l 为有效沟道长度，巧为阂值电压。 通过计算a 毛a v o s ，可以得到毛的极值发生在= 一，且峰值电流为： g d n l r , g = 圭半( 吲2 北- 2 ) 称一巧为“过驱动电压”，称为“宽长比”。 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 是c m o s 模拟电路设计的基础，描述了乞与工艺常数c ：， 器件的尺寸w 和l 以及栅和漏相对于源的电位之间的关系。 基于式( 2 - 1 ) 模拟的m o s 管有多种工作区，具体取决于一的值。 6 基于0 s i g nc m o s 工艺低压多级放大器设计 1 ) 截至区 一巧的值是零或负值，m o s 管工作在截止区，式( 2 - i ) 变成： 如= 0 ，k 嚣一0 式( 2 3 ) 在这个区域，沟道就如同断路。 2 ) 三极管区 如果一巧，则称器件工作在三极管区，也称线性区。式( 2 - 1 ) 变成： 乞：型警 ( 一巧) 一( 每) 】， 一巧 式( 2 4 ) 3 ) 深三极管区 如果2 ( 一巧) ，则有： 如u , f o w ( v o s r t ) f o s ，巧 s ( 饱和) 或者 ( 一) 时，漏极电流并不遵循式( 2 - 1 ) 所示的抛物线特性，这时的如与无 关，相对恒定，称为器件工作在“饱和区”。伏安特性表达式为： 乞：委型警( 一_ ) z ， o 一 式( 2 8 ) 式( 2 - 8 ) 表明，一旦大于一巧，漏极电流即为一常数，其实并非如此，这 个问题将在以后的小节中分析。 m o s f e t 工作在饱和区时，其电流受栅源过驱动电压控制，所以可以定义一 个性能参数来表示电压转换电流的能力。更准确地说，由于在处理信号的过程中， 要考虑电压和电流的变化，因此把这个性能系数定义为漏电流的变化量除以栅源 电压的变化量。这个系数被称为“跨导”，并且用g ，来表示，其数值表示为： = 急v d s , c o n z t = u n 乞i w ( 一巧) 式( 2 - 9 ) 从某种意思上来讲，g 胍代表了器件的灵敏度：对于一个大的g 埘来讲，的 第二章放大器设计的基础知识 7 一个微小的改变将会引起产生很大的变化。可以看到，饱和区的g 埘值等于深三 极管区如的倒数。 g 掮也可以表示为： 舻厚或2 去 柏m ， 的这几个表达式在研究随某一个参数变化( 其它参数保持恒定) 的特性 时都是有用的，例如，式( 2 9 ) 表明，如果保持恒定，则随着过驱动电压 的增加而增大，而式( 2 - 1 0 ) 表示，如果如恒定的话，随着过驱动电压的增大 而减小。值得注意的是，如果器件进入三极管区，跨导将下降，因此，放大应用 时，应使m o s f e t 工作于饱和区。 2 1 2 二级效应 在上面分析m o s 的结构时，引入了各种简化假设，其中有些在许多模拟电路 中是不成立的，这一小节将介绍后续电路分析中不可或少的三个二级效应。 1 ) 体效应 在以上的分析中，未加说明地假设晶体管的衬底和源极是接地的。当n f e t 的衬底电压减少到低于源电压时，由于源结和漏结维持反向偏置，假定器件仍能 正常工作，但是某些特性可能会发生改变，具体的分析如下： 当。 才能出现n 沟道，即此时开 启电压值随衬底与源极间的负偏置的数值增加而增加。这种现象称为“体效应” 或“背栅效应 。 考虑到体效应后，诈为： = 。+ r ( x 2 r + l - 2 i 办1 ) 式( 2 1 1 ) 式中咋。为= 0 时的开启电压，r 为体效应系数，是源衬电势差，办为强反型 层表面势垒。 产生体效应，并不需要改变衬底电势，源电压相对与圪曲发生改变，会产 生同样的现象。体效应通常是不希望有的，因为阈值电压的变化经常会使模拟电 路设计复杂化。 2 ) 沟道长度调制 由式( 2 8 ) 可以知道，当0 厶叮+ ，因此v n 可以达到v d d 使得 m 1 强导通，而i o 通常是一个不变的电流值。 效率被定义为r l 上消耗的功率与电源提供的功率之比，由图2 9 得出效率表 达式为： 圪w ( 峰值) 2 耩去2 面2 r 丽l2 磊蕊2 r l= ( 掣警2 ( 2 - 4 2 ， y ( 一) 乇( 一) ( 警) 、一 当w ( 峰值) 为0 5 ( v o o 一) 时，甲类输出级达到最大效率为2 5 。 2 ) 源极跟随器 第二种输出级放大器是用m o s 管构成的共漏或者源极跟随器，这个结构具有 大的电流增益和小的输出电阻，不过，因为源极是输出节点，m o s 器件与体效应 有关。体效应引起阅值电压v t 随输出电压的增加而提高，使得最大输出电压远小 于v d d ，图2 1 0 显示了两种c m o s 源极跟随器。 图2 1 0 表明v o u t ( 最小) 可以是v s s ，因为当v n 接近v s s 时，流过m 2 的电流 接近零，允许输出电压为零，v o u t 的最大值为： v o u t ( 最大) = 一l 一i 一咋。 式( 2 - 4 3 ) j _ - i i l 吲剖 1 6 基于0 5 1 m ac m o s 工艺低压多级放大器设计 源极跟随器的效率类似于图2 9 的甲类放大器，但失真要比甲类放大器好，原因在 于其固有的负反馈特性。 v d d v o u t v d d v o u t ( a )( b ) 图2 1 0 ( a ) m o s 二极管作为负载( b ) 电流漏作为负载的源极跟随器 图2 1 1 所示为推挽源极跟随器，悬浮的电源v b i a s 给m 1 和m 2 提供栅源偏置， 以确定m 1 和m 2 的静态电流，这个电路的优点是电流可以灵活的流入或流出，缺 点是输出摆幅限制在比最大电源电压低一个阈值电压、比最低电源电压高一个阈 值电压之间，由于体效应，阈值电压会增加，严格地限制了输出摆幅。 v d d v o u t 图2 11 推挽形式的源极跟随器 推挽放大器的效率要比甲类放大器高得多。推挽放大器被称为乙类或者甲乙 类，因为输出晶体管不是在输出正弦电压的整个周期内都有电流流动。对于乙类 放大器，电流只在3 6 0 。周期的1 8 0 。内流动，而对于甲乙类放大器，管子电流只 在大于1 8 0 。和小于3 6 0 。范围内流动，这些概念在图2 1 2 ( a ) 中对于乙类推挽 源极跟随器和2 1 2 ( b ) 中对于甲乙类推挽源极跟随器做了说明，乙类和甲乙类之 间的一个重要区别就是当输出电压为0 时乙类放大器没有偏置电流。这就意味着 乙类放大器的效率总比甲乙类放大器高，为了减小交叉失真，让推挽跟随器略微 判 别 第二章放大器设计的基础知识 1 7 地工作在甲乙类模式也是有必要的。 图2 1 2 推挽源极跟随器的输出电压、电流特性( a ) 乙类；( b ) 甲乙类 乙类放大器的效率可以用先前的定义计算并假设输出电压是正弦波，乙类放 大器的效率可以表示为： 7 0 叮( 峰值) 2 棒丧2 磊簿2 三臀 一4 ) 上式分母中v o 叮( 峰值) 石吃表示了正弦半波整流的平均电流值，可以看出当 叮( 峰值) 最大，即为0 5 ( v d d - v s s ) 时有最高效率7 8 5 。 3 ) 推挽共源放大器 v d d 一 = 图2 1 3 推挽共源放大器 推挽放大器的优点是具有更高的效率，乙类放大器具有7 8 5 的最高效率，这 意味着为满足放大器输出电流的需要较少的静态电流是必要的，小的静态电流意 味着小的宽长比和小的面积要求。图2 1 3 为推挽反相c m o s 放大器，图2 1 4 给出 了推挽反相放大器工作在乙类和甲乙类模式下的输出电压和电流特性。 1 8 基于0 5 岬c m o s 工艺低压多级放大器设计 ( a )( b ) 图2 1 4 推挽共源放大器的输出电压和电流特性( a ) 乙类： ( b ) 甲乙类 2 4 运放系统稳定性概述 x ( s )y ( s ) 图2 1 5 基本负反馈系统 负反馈在模拟信号处理中得到广泛的应用，反馈的性质使系统能通过抑制开 环性能的变化而精确地工作，然而，反馈系统有潜在的不稳定性，即可能会振荡。 图2 1 5 所示为基本的反馈系统，其中是常数，该闭环传输函数可以写为： 兰0 ) ：丝盟式( 2 4 5 ) 义一 1 + f i l l ( s ) 我们注意到，如果f l h ( s = j c 0 1 ) = 一1 ，则“增益”趋于无限，电路可以放大自身的 噪声直到它最终开始振荡。换句话说，如果p n ( s ) = 一1 ，则电路在频率m 产生振 荡。此条件可表达为： i , b h ( j c 0 1 ) i = 1 z f l h ( j c 0 1 ) = - 1 8 0 。 式( 2 4 6 ) 这称为“巴克豪森判据”，在劬时环绕这个环路的总相移是3 6 0 。，因为负反 馈本身产生了1 8 0 。的相移，这3 6 0 。的相移对于振动是必要的，因为反馈信号必 须同相地加到原噪声信号上才能产生振荡，同理，为使振荡幅值能增大，要求环 路增益等于1 ( 或大于1 ) 。 总之，一个负反馈系统如果满足下n - 个条件，便可以在劬频率下产生振荡， 这二个条件是： 1 ) 在这个频率下，围绕环路的相移能大到使反馈变为正反馈； 2 ) 环路增益足以使信号建立。 第二章放大器设计的基础知识 1 9 使环路增益的幅值等于l 和使环路增益的相位等于1 8 0 。的两个频率在稳定 性方面起着重要作用，分别称这两个频率点为“增益交点 ( g a i ng t o s s o v e i p o i n t ) 和“相位交点 (。在稳定系统中，增益相交必定发生在相位, p h a s ec r o s s o v e rp o i n t ) 相交之前，注意到如果减小( 即施加小的反馈) ，则幅值曲线会下移，因此增益 交点向原点移动，反馈系统更加稳定，最坏情况的稳定性对应于p = 1 ，即单位增 益反馈，因此，我们经常分析日= h 的相位图和幅值图。 一个波特图是根据零点和极点的大小表示一个复变函数的幅值和相位的渐进 特性，作图时应用下n - 条规则： 1 ) 在每个零点频率处，幅值曲线的斜率按+ 2 0 d b d e e 变化；在每个极点频率 处，其斜率按2 0 d b d e c 变化； 2 ) 对一个的极点( 零点) 频率，相位约在0 1 的地方开始下降( 上升) ， 在饥处经历_ 4 5 。( + 4 5 。) 的变化，在大约1 0 饥处达到一9 0 。( + 9 0 。) 的变