第九章运算放大器

北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 1 第九章运算放大器 授课教师 鲁文高Email wglu 2007年5月14日 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 2 运算放大器 定义 高增益的差分放大器用途 实现一个反馈系统开环增益 由闭环电路的精度决定运算放大器设计是一个不断tradeoff的过程 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 3 本讲内容 概述性能参数单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 4 运算放大器的性能参数 增益小信号带宽大信号带宽输出摆幅线性度噪声与失调电源抑止 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 5 增益 高开环增益 抑止非线性 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 6 如何实现精确的增益 开环 不能实现工艺偏差闭环 前馈放大器 开环增益A1足够高反馈放大器 精确匹配 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 7 小信号带宽 小信号带宽通常定义为单位增益频率fu3dB频率f3dB与fu的示意如下 均为对数坐标 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 8 小信号带宽与信号建立时间的关系 稳定精度1 稳定时间小于5ns1 1 R1 R2 10则 1 09nsfu 0 2 1 2 1 46GHz 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 9 本讲内容 概述单级运算放大器五管差分运放共源共栅运放全差分折叠共源共栅运放单端输出折叠共源共栅运放两级运算放大器运算放大器设计要点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 10 单级运算放大器 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 11 单级运放的单位增益接法 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 12 单级运放的输入共模电平范围 保证所有晶体管均处于饱和区输入下限 Vin min VCSS VGS1 Vdsat Vth1 Vdsat1输入上限 Vin max VDD VGS3 Vth1设所有晶体管的Vdsat相等 则Vin max Vin min VDD Vth3 3 Vdsat 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 13 单位增益放大器的闭环输出阻抗 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 14 本讲内容 概述单级运算放大器五管差分运放共源共栅运放全差分折叠共源共栅运放单端输出折叠共源共栅运放两级运算放大器运算放大器设计要点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 15 共源共栅运算放大器 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 16 共源共栅运放的输入共模电平范围 保证所有晶体管均处于饱和区输入下限 Vin min VCSS VGS2 Vdsat Vth2 Vdsat2输入上限 Vin max Vb VGS4 Vth2设所有晶体管的Vdsat相等 则Vin max Vin min Vb Vth4 3VdsatVb Vth4 3VdsatVb越大 输入共模电平摆幅越大 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 17 单端输出共源共栅运放的输出范围 保证所有晶体管均处于饱和区设所有晶体管的 Vdsat 相等输出下限 Vout min Vb VGS4 Vdsat4 Vb Vth4输出上限 Vout max VDD VGS7 VGS5 VGS6 Vdsat6 VDD Vth7 2Vdsat输出摆幅Vout max Vout min VDD Vth7 Vb Vth4 2VdsatVb越小 输出摆幅越大输出摆幅的最大值为VDD Vth7 5Vdsat 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 18 双端输出共源共栅运放的输出范围 保证所有晶体管均处于饱和区设所有晶体管的 Vdsat 相等输出下限 Vout min Vb1 VGS4 Vdsat4 Vb1 Vth4输出上限 Vout max Vb2 VGS6 Vdsat6 Vb2 Vthn输出摆幅2 Vout max Vout min 2 Vb2 Vdsat Vb1 Vth4 Vb2越大 输出摆幅越大Vb1越小 输出摆幅越大输出摆幅的最大值为2 VDD 5Vdsat 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 19 共源共栅运放的优缺点 优点 高增益缺点 输入摆幅 输出摆幅小不宜用做单位增益缓冲器 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 20 单端输出的共源共栅运放 1 实际电路中 b结构被广泛采用 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 21 单端输出的共源共栅运放 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 22 全差分共源共栅运放的设计 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 23 全差分共源共栅运放的设计 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 24 全差分共源共栅运放的设计 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 25 全差分共源共栅运放的设计 4 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 26 全差分共源共栅运放的设计 5 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 27 全差分共源共栅运放的设计 6 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 28 全差分共源共栅运放的设计 小结 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 29 三级共源共栅运算放大器 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 30 本讲内容 概述单级运算放大器五管差分运放共源共栅运放全差分折叠共源共栅运放单端输出折叠共源共栅运放两级运算放大器运算放大器设计要点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 31 折叠共源共栅放大级 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 32 折叠共源共栅放大级 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 33 折叠共源共栅差分对 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 34 折叠共源共栅差分对 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 35 折叠共源共栅结构中折叠点对应的极点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 36 折叠共源共栅运放设计实例 例9 6 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 37 折叠共源共栅运放的设计 小结 第一步 确定过驱动电压Vdsat1直接取200mV 书上确定Vdsat1的方法不太合理其他Vdsat的选取 应为输出摆幅留出余量 比书上小50mV 第二步 确定各支路电流 功耗 M1 M2 M9 M10均流过0 75mA 第三步 根据过驱动电压与支路电流的要求 确定各晶体管宽长比第四步 根据增益的要求 确定各晶体管宽长 增益不满足要求时 增加L 第五步 根据过驱动电压 确定各个偏置电压 注意留出余量 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 38 本讲内容 概述单级运算放大器五管差分运放共源共栅运放全差分折叠共源共栅运放单端输出折叠共源共栅运放两级运算放大器运算放大器设计要点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 39 单端输出的折叠共源共栅运放 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 40 单端输出的折叠共源共栅运放 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 41 单端输出的折叠共源共栅运放 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 42 单端输出折叠共源共栅运放的设计 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 43 单端输出折叠共源共栅运放的设计 2 Vb2 Vb1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 44 单端输出折叠共源共栅运放的设计 3 Vb2 Vb1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 45 单端输出折叠共源共栅运放的设计 4 Vb2 Vb1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 46 单端输出折叠共源共栅运放的设计 5 Vb2 Vb1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 47 单端输出折叠共源共栅运放的设计 6 Vb2 Vb1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 48 单端输出折叠共源共栅运放的设计 小结 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 49 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 50 两级运算放大器 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 51 两级运算放大器 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 52 两级运算放大器 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 53 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率 压摆率 电源抑止噪声 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 54 增益的提高 1 V1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 55 增益的提高 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 56 增益的提高 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 57 增益的提高 4 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 58 增益的提高 5 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 59 增益的提高 6 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 60 增益的提高 7 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 61 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率 压摆率 电源抑止噪声 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 62 性能比较 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 63 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率 压摆率 电源抑止噪声 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 64 为什么需要共模反馈 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 65 共模反馈原理 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 66 检测共模输出电压的方法 1 电阻 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 67 检测共模输出电压的方法 2 源跟随器 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 68 检测共模输出电压的方法 3 深线性区电阻 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 69 CM电平与参考电平的比较与误差返回 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 70 CM电平与参考电平的比较与误差返回 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 71 CM电平与参考电平的比较与误差返回 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 72 CM电平与参考电平的比较与误差返回 4 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 73 CM电平与参考电平的比较与误差返回 5 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 74 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率 压摆率 电源抑止噪声 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 75 单位增益缓冲器与输入范围限制 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 76 Rail to rail运放 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 77 Rail to rail运放 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 78 Rail to rail运放 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 79 Rail to rail运放 4 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 80 Rail to rail运放 5 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 81 Rail to rail运放 6 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 82 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率 压摆率 电源抑止噪声 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 83 转换速率 1 大信号特性 来源运放对节点的充放电受充放电电流限制系统对大阶跃信号的响应 不能用小信号描述 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 84 转换速率 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 85 转换速率 3 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 86 转换速率 4 理想运放 Iout正比于输入阶跃信号真实运放 Iout受限单级运放的最大充放电电流ISS 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 87 转换速率与小信号建立 1 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 88 转换速率与小信号建立 2 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9 89 本讲内容 概述单级运算放大器两级运算放大器运算放大器设计要点增益的提高性能比较共模反馈输入范围限制转换速率 压摆率 电源抑止噪声 北大微电子 模拟集成电路原理 opampCh 9