第3章 MOS晶体管模型与CMOS模拟电路基础课件

第3章MOS晶体管模型与

CMOS模拟电路基础(2)

西安交通大学电子与信息学院

微电子研究所

陈贵灿程军InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity1第3章MOS晶体管模型与

CMOS模拟电路基础(2)

3.3节的小结主要讨论了各种单级放大器的大信号和小信号特性、输入共模电压范围、输出电压摆幅和频率特性。放大器的共同点是：输入器件（或输入对管）产生的小信号电流直接流过输出阻抗，它们的低频增益均可表示为输入管的跨导与输出阻抗的乘积。大信号分析中，定性地分析电路的工作原理和总的性能，并从输出-输入特性曲线中确定偏置工作点，由该点的斜率也可得到小信号增益。大信号分析还能确定输入和输出信号的范围。小信号分析中，对输出电阻和小信号增益等性能参数进行了定量计算。对差动放大器我们讨论了差动特性与共模特性，可以应用“半边电路”的概念来简化小信号分析。每种放大器的频率特性。用“结点与极点关联”的简单方法来估算极点，采用主通路的信号电流与前馈通路的信号电流在输出端相互抵消的方法来估算零点。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity23.3节的小结主要讨论了各种单级放大器的大信号和小信号特性、重要性：运放是模拟系统和混合信号系统中重要的完整模块

3.4运算放大器（OperationalAmplifiers）设计的复杂性：系统对运放各种参数要求的多样性和具体工艺的各种变化主要作用：对模拟信号进行放大和实现多种处理功能(闭环)

定义：运放是高增益的差动放大器

内容:1

性能参数

2一级运放:各种基本结构;输入范围的扩展;增益提高;共模反馈;转换速率;电源抑制3两级运放:两级运放的结构4运放的稳定性与频率补偿

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity3重要性：运放是模拟系统和混合信号系统中重要的完整模块

3.4SOC中的运放与通用运放的区别综合考虑与“理想”高增益（开环）：增益范围在101~105；>105输出阻抗：高(OTA)与低共模电平：约VDD/2与0V;虚短与虚地速度（带宽）：高与低电源供给：单电源与双电源功耗：小与大InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity4SOC中的运放与通用运放的区别综合考虑与“理想”Instit例：开环增益设计取决于应用要求的精度设计成额定增益为10，即1+R1/R2=10。要求相对增益误差为1%，确定A1的最小值。要达到增益误差小于1%，必须满足A1>1000。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity5例：开环增益设计取决于应用要求的精度设计成额定增益为10，即One-StageOpAmps简单运放结构

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity6One-StageOpAmps简单运放结构Instit3.4.2One-StageOpAmps1.各种基本结构图3.149

简单运放结构

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity73.4.2One-StageOpAmps1.各种基One-StageOpAmpinUnityGainConfiguration图3.150InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity8One-StageOpAmpinUnityGainCascodeOpAmps图3.151

共源共栅运放

特点：高增益；高速InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity9CascodeOpAmps图3.151共源共栅运放UnityGainOneStageCascode图

3.152

输入与输出短路的共源共栅运放

（缓冲器）允许的输出范围小于一个阈值

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity10UnityGainOneStageCascode图FoldedCascodeOpAmps图3.154折叠式共源共栅电路

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity11FoldedCascodeOpAmps图3.154FoldedCascodeStages(cont.)图3.154折叠式共源共栅电路

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity12FoldedCascodeStages(cont.)图FoldedCascode(cont.)图3.155

折叠共源共栅运放结构

(a)Vin,MAN=Vb1-VGS3+VTH1(b)Vin,MIN=Vb1-VGS3+|VTH1|可短接InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity13FoldedCascode(cont.)图3.155FoldedCascode(cont.)

图3.156

以共源共栅PMOS为负载的折叠共源共栅运放

1可作为单位增益缓冲器；2输入/出共模范围大；3输出摆幅较大；InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity14FoldedCascode(cont.)图3.156ExampleFolded-CascodeOpAmpSeeExample3.28（p152）图3.159一种折叠共源共栅运放的实现

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity15ExampleFolded-CascodeOpAmpS设计性能指标：VDD=3V，差动输出摆幅=3V，功耗=10mw，电压增益=2000。假定kN=60uA/V2，kP=30uA/V2，λN=0.1V-1,λP=0.2V-1

（有效沟通长度为0.5um时）γ=0,VTHN=|VTHP|=0.7V。

从功耗和摆幅的性能参数开始。分配1.5mA给输入对，1.5mA给两个共源共栅支路，剩余的330uA给三个电流镜。首先考虑每条共源共栅支路中的各器件。由于M5和M6均传导1.5mA，分配给它们的过驱动电压为500mV，以使它们的栅宽保持合理值，VOD3,4=400mV，VOD7-10=300mV。因此，单端输出摆幅为1.5V。可计算得：（W/L）5,6=400，（W/L）3,4=313，（W/L）7-10=278。由于输出的最小和最大电压分别为0.6V和2.1V，最合适的输出共模电平为1.35V。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity16设计性能指标：VDD=3V，差动输出摆幅=3V，功耗=10m输入管M1和M2的最小尺寸由最小的输入共模电平（即VGS1+VOD11）确定。例如，如果输入和输出在部分工作期间短路，则VGS2+VOD11=1.35V。如果以VOD11=0.4V作为初猜值，则VGS1=0.95V，得到VOD1,2=0.95-0.7=0.25V，由此得（W/L）1,2=400。晶体管M1和M2的最大尺寸的确定取决于允许的输入电容和图3.159中X点和Y点的电容。我们现在计算小信号增益。利用gm=2ID/(VGS-VTH)，可得：gm1,2=0.006A/V，gm3,4=0.0038A/V和gm7,8=0.005A/V。对于L=0.5um，rO1,2=rO7-10=13.3k,rO3,4=2rO5,6=6.67k。由此得到，从M7（或M8）的漏极往里看，所看到的阻抗等于0.88M。另一方面，由于M3（或M4）有限的本征增益，从M3的漏极往里看，所看到的阻抗等于66.5k。因此，总的增益被限制在400左右。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity17输入管M1和M2的最小尺寸由最小的输入共模电平（即VGS1+修改设计，以达到增益指标为提高增益，首先我们观察到，rO5,6比rO1,2小得多，因此，可以增大M5和M6的栅长。（例如L5,6=1.25um)M1和M2的跨导相对较低，可以增加它们的宽度。可以通过把M3和M4的长和宽均加倍而使这两个器件的本征增益提高一倍，但以增加在X点和Y点的电容为代价。关于这些器件尺寸的精确选取，留给读者作为练习。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity18修改设计，以达到增益指标为提高增益，首先我们观察到，rO5,Single-EndedOutputCascodeOpAmps图3.161

单端输出的运放

相对于全差动的缺点：摆幅仅一半；镜像极点XInstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity19Single-EndedOutputCascodeOpTripleCascodeAvapp.(gmro)3/2LimitedOutputSwingComplexbiasing图3.162

三层叠共源共栅运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity20TripleCascodeAvapp.(gmro)3/3.4.2一级运放：2.输入范围的扩大图3.163

输入CM范围的扩展InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity213.4.2一级运放：2.输入范围的扩大图3.163InputRangeLimitations(Cont.)图3.164

输入CM范围的扩展InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity22InputRangeLimitations(Cont.)3.4.2一级运放：

3.增益的提高：

OutputImpedanceEnhancementWithFeedback图3.166

通过反馈增大输出阻抗

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity233.4.2一级运放：3.增益的提高：

OutputI3.GainBoostinginCascodeStage图3.166

共源共栅级中增益的提高

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity243.GainBoostinginCascodeSDifferentialGainBoosting图3.167

在差动共源共栅级中提高输出阻抗

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity25DifferentialGainBoosting图3.1DifferentialGainBoosting(cont.)图3.167

在差动共源共栅级中提高输出阻抗

M3漏端的最低电压变为：VOD3+VGS5+VISS2输出最小电压提高了大约一个阈值InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity26DifferentialGainBoosting(co信号通路和负载器件均采用增益提高技术图3.170增益提高技术用于信号通路和负载器件InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity27信号通路和负载器件均采用增益提高技术图3.170增益提高3.4.2一级运放：4.共模反馈

图3.171

(a)输入与输出短路的高增益差动对；(b)电源失配效应

ID3,4>ISS/2=>VX,Y增大=>M3,4进入线性区ID3,4<ISS/2=>VX,Y减小=>M5进入线性区InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity283.4.2一级运放：4.共模反馈图3.171(a)输入与HighGainAmpModel图3.172

高增益放大器的简化模型

ΔVout=(IP-IN)(RP||RN)高增益差动电路要求CMFBInstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity29HighGainAmpModel图3.172高增益放Common-ModeFeedback(cont.)图3.174

共模反馈的原理结构图

CMFB的三部分：1检测Vcom;2与Vref比较；3将误差回送至偏置网络。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity30Common-ModeFeedback(cont.)图3ResistiveSensing图3.175

电阻检测的共模反馈

如果取R1=R2,,且R>>Rout1,2Vout,CM=(vout1+vout2)/2缺点：管芯(die)面积大InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity31ResistiveSensing图3.175电阻检测的CMFBExample图3.177

测量和控制输出CM电平

对电流源（用作负载）进行控制InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity32CMFBExample图3.177测量和控制输出CM电AlternativeCMFBforFoldedCascode控制输出共模电平的另一种方法控制尾电流

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity33AlternativeCMFBforFoldedCa3.4.2一级运放：5.转换速率

SlewRate图3.185

一种线性电路对输入阶跃的响应

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity343.4.2一级运放：5.转换速率SlewRate图3.SlewinginOpAmp图3.187

运放电路中的转换当Vin增大时，斜坡的斜率不变，该斜率被称为转换速率InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity35SlewinginOpAmp图3.187运放电路中的Small-SignalOperationofOpAmp图3.188

一种简单运放的小信号工作

不失真地放大最小的转换速率为(BW-3dB=1/τ>ω0）InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity36Small-SignalOperationofOpAOpAmpSlewingSlewrate=ISS/CL(单位V/μS)

VX上升到接近Vin时，M2导通，电路回到线性工作状态图3.189

低到高变化时的转换

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity37OpAmpSlewingSlewrate=ISS/OpAmpSlewing(cont.)高到低变化时的转换

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity38OpAmpSlewing(cont.)高到低变化时的转3.4.2一级运放：6电源抑制（PowerSupplyRejection）图3.395

采用有源电流镜的差动对的电源抑制

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity393.4.2一级运放：6电源抑制（PowerSupply3.4.2两级运放（Two-StageOpAmps）1.结构DesignApproachforTwo-StageOpAmps图3.197

两级运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity403.4.2两级运放（Two-StageOpAmps）1SimpleimplementationofaTwo-StageOpAmp(FullyDifferentialOpAmp)图3.198

差动输出的两级运放InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity41SimpleimplementationofaTwo第1级为共源共栅的两级运放

图3.199采用共源共栅的两级运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity42第1级为共源共栅的两级运放图3.199采用共源共栅的两表3.2

各种不同运放结构的性能比较增益输出摆幅速度功耗噪声套筒式共源共栅中中高低低折叠式共源共栅中中高中中两级运放高高低中低增益提高运放高中中高中InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity43表3.2各种不同运放结构的性能比较套筒式共源共栅中中高低3.4.4运放的稳定性与频率补偿

1.稳定性判据

图3.201基本负反馈系统InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity443.4.4运放的稳定性与频率补偿

1.稳定性判据

图系统的频域特性(波特图)图3.202不稳定系统和稳定系统的环路增益的波特图InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity45系统的频域特性(波特图)图3.202不稳定系统和稳定系统闭环系统的极点位置与系统的稳定性图3.203以极点的位置确定一个系统的时域响应（a）幅值增大的不稳定状态；（b）等幅振荡的不稳定状态；（c）稳定状态

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity46闭环系统的极点位置与系统的稳定性图3.203以极点的位置确频率特性：SimplePolevivo波特图(ω=ωp,ω=10ωp)

?时域和频域?InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity47频率特性：SimplePolevivo波特图(ω=ωPolesandNodesNon-InteractingPoles放大器的级联

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity48PolesandNodesNon-Interacting构造波特图的基本规则

（1）在每个零点频率处，幅值曲线的斜率按+20dB/dec变化；在每个极点频率处，其斜率按－20dB/dec变化；（2）对一个ωp的极点（左半平面的零点）频率，相位约在0.1ωp的地方开始下降（上升），在ωp处经历－45°（+45°）的变化，在大约10ωp处达到－90°（+90°）的变化。这里的关键是：高频极点和零点对相位的影响可能比对幅值的影响更大InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity49构造波特图的基本规则（1）在每个零点频率处，幅值曲线的斜率3.4.42多极点系统(MultipoleSystems)图3.204

两极点系统中环路增益的波特图

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity503.4.42多极点系统(MultipoleSy3相位裕度(PhaseMargin)图3.207

闭环频率响应和时间响应（a）增益交点和相位交点之间的小间距情况

；（b）PX与GX之间的大间距情况

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity513相位裕度(PhaseMargin)图3.207闭PhaseMargin

(cont.)PX应离开GX多远？GX仅稍低于PX,在GX处，其相位等于-175°。在这种情况下，闭环系统的响应将会怎样？

定义：PM=180°+∠βH(ω＝ω1)，其中ω1是增益交点频率。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity52PhaseMargin(cont.)PX应离开GX多远PhaseMargin(cont.)-180PhaseMargin,m=45InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity53PhaseMargin(cont.)-180PhasePhaseMargin(cont.)图3.208

相位裕度分别为45°，60°和90°时闭环的时间响应

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity54PhaseMargin(cont.)图3.208相Compensation(cont.)图10.18

向原点移动主极点

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity55Compensation(cont.)图10.183.4.45.两级运放的补偿(CompensationofTwo-StageOpAmps)图3.218

两级运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity563.4.45.两级运放的补偿(CompensationCompensationofTwo-StageOpAmps图3.219

两级运放的环路增益的波特图

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity57CompensationofTwo-StageOpAMillerCompensation(cont.)图3.220

两级运放的密勒补偿

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity58MillerCompensation(cont.)图3MillerCompensation(cont.)(assumeCCincludesCGD9)图3.222一种两级运放的简化电路

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity59MillerCompensation(cont.)(asCompensation(cont.)图3.221

密勒补偿引起的极点分裂

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity60Compensation(cont.)图3.221密勒补RHPZeroRemoval图3.224

为移动右半平面的零点增加电阻RZ

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity61RHPZeroRemoval图3.224为移动右半平面RHPZeroRemoval(cont.)InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity62RHPZeroRemoval(cont.)Instit6.其它补偿技术(OtherCompensationTechniques)图3.231（a）补偿两级运放的另一种方法；（b）图（a）的简化等效电路

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity636.其它补偿技术(OtherCompensationTe的简单推导令M4的源极结点为NInstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity64的简单推导令M4的源极结点为NInstituteofMi作业：CMOS运放设计VDD=3V,AV=80dB,CL=5pF,GB=130MHz,PM=600,功耗≈12mW,偏置电压可直接供给(不用镜像电流源)电路描述语句：参见教材直接键入，或用软件pspice,wiewlogicoffice图形输入后生成网表文件激励语句：Vin1Vp0(dc)V0ac1(Vin1Vp0(AC)sin(V0210k0.50))Vin2Vn0dcV0分析语句：1直流工作点分析.op

2直流分析.DCVin1030.0013交流分析.acdec(oct/lin)1010200MEG4瞬态分析.tran0.1ns10ns器件模型:若采用pspice软件，按表3.1(p59)自己输入要求：（1）原理图；(2)源程序（源代码）；(3)波特图；(4)讨论InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity65作业：CMOS运放设计VDD=3V,AV=80dB,CL=5第3章MOS晶体管模型与

CMOS模拟电路基础(2)

西安交通大学电子与信息学院

微电子研究所

陈贵灿程军InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity66第3章MOS晶体管模型与

CMOS模拟电路基础(2)

3.3节的小结主要讨论了各种单级放大器的大信号和小信号特性、输入共模电压范围、输出电压摆幅和频率特性。放大器的共同点是：输入器件（或输入对管）产生的小信号电流直接流过输出阻抗，它们的低频增益均可表示为输入管的跨导与输出阻抗的乘积。大信号分析中，定性地分析电路的工作原理和总的性能，并从输出-输入特性曲线中确定偏置工作点，由该点的斜率也可得到小信号增益。大信号分析还能确定输入和输出信号的范围。小信号分析中，对输出电阻和小信号增益等性能参数进行了定量计算。对差动放大器我们讨论了差动特性与共模特性，可以应用“半边电路”的概念来简化小信号分析。每种放大器的频率特性。用“结点与极点关联”的简单方法来估算极点，采用主通路的信号电流与前馈通路的信号电流在输出端相互抵消的方法来估算零点。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity673.3节的小结主要讨论了各种单级放大器的大信号和小信号特性、重要性：运放是模拟系统和混合信号系统中重要的完整模块

3.4运算放大器（OperationalAmplifiers）设计的复杂性：系统对运放各种参数要求的多样性和具体工艺的各种变化主要作用：对模拟信号进行放大和实现多种处理功能(闭环)

定义：运放是高增益的差动放大器

内容:1

性能参数

2一级运放:各种基本结构;输入范围的扩展;增益提高;共模反馈;转换速率;电源抑制3两级运放:两级运放的结构4运放的稳定性与频率补偿

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity68重要性：运放是模拟系统和混合信号系统中重要的完整模块

3.4SOC中的运放与通用运放的区别综合考虑与“理想”高增益（开环）：增益范围在101~105；>105输出阻抗：高(OTA)与低共模电平：约VDD/2与0V;虚短与虚地速度（带宽）：高与低电源供给：单电源与双电源功耗：小与大InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity69SOC中的运放与通用运放的区别综合考虑与“理想”Instit例：开环增益设计取决于应用要求的精度设计成额定增益为10，即1+R1/R2=10。要求相对增益误差为1%，确定A1的最小值。要达到增益误差小于1%，必须满足A1>1000。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity70例：开环增益设计取决于应用要求的精度设计成额定增益为10，即One-StageOpAmps简单运放结构

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity71One-StageOpAmps简单运放结构Instit3.4.2One-StageOpAmps1.各种基本结构图3.149

简单运放结构

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity723.4.2One-StageOpAmps1.各种基One-StageOpAmpinUnityGainConfiguration图3.150InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity73One-StageOpAmpinUnityGainCascodeOpAmps图3.151

共源共栅运放

特点：高增益；高速InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity74CascodeOpAmps图3.151共源共栅运放UnityGainOneStageCascode图

3.152

输入与输出短路的共源共栅运放

（缓冲器）允许的输出范围小于一个阈值

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity75UnityGainOneStageCascode图FoldedCascodeOpAmps图3.154折叠式共源共栅电路

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity76FoldedCascodeOpAmps图3.154FoldedCascodeStages(cont.)图3.154折叠式共源共栅电路

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity77FoldedCascodeStages(cont.)图FoldedCascode(cont.)图3.155

折叠共源共栅运放结构

(a)Vin,MAN=Vb1-VGS3+VTH1(b)Vin,MIN=Vb1-VGS3+|VTH1|可短接InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity78FoldedCascode(cont.)图3.155FoldedCascode(cont.)

图3.156

以共源共栅PMOS为负载的折叠共源共栅运放

1可作为单位增益缓冲器；2输入/出共模范围大；3输出摆幅较大；InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity79FoldedCascode(cont.)图3.156ExampleFolded-CascodeOpAmpSeeExample3.28（p152）图3.159一种折叠共源共栅运放的实现

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity80ExampleFolded-CascodeOpAmpS设计性能指标：VDD=3V，差动输出摆幅=3V，功耗=10mw，电压增益=2000。假定kN=60uA/V2，kP=30uA/V2，λN=0.1V-1,λP=0.2V-1

（有效沟通长度为0.5um时）γ=0,VTHN=|VTHP|=0.7V。

从功耗和摆幅的性能参数开始。分配1.5mA给输入对，1.5mA给两个共源共栅支路，剩余的330uA给三个电流镜。首先考虑每条共源共栅支路中的各器件。由于M5和M6均传导1.5mA，分配给它们的过驱动电压为500mV，以使它们的栅宽保持合理值，VOD3,4=400mV，VOD7-10=300mV。因此，单端输出摆幅为1.5V。可计算得：（W/L）5,6=400，（W/L）3,4=313，（W/L）7-10=278。由于输出的最小和最大电压分别为0.6V和2.1V，最合适的输出共模电平为1.35V。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity81设计性能指标：VDD=3V，差动输出摆幅=3V，功耗=10m输入管M1和M2的最小尺寸由最小的输入共模电平（即VGS1+VOD11）确定。例如，如果输入和输出在部分工作期间短路，则VGS2+VOD11=1.35V。如果以VOD11=0.4V作为初猜值，则VGS1=0.95V，得到VOD1,2=0.95-0.7=0.25V，由此得（W/L）1,2=400。晶体管M1和M2的最大尺寸的确定取决于允许的输入电容和图3.159中X点和Y点的电容。我们现在计算小信号增益。利用gm=2ID/(VGS-VTH)，可得：gm1,2=0.006A/V，gm3,4=0.0038A/V和gm7,8=0.005A/V。对于L=0.5um，rO1,2=rO7-10=13.3k,rO3,4=2rO5,6=6.67k。由此得到，从M7（或M8）的漏极往里看，所看到的阻抗等于0.88M。另一方面，由于M3（或M4）有限的本征增益，从M3的漏极往里看，所看到的阻抗等于66.5k。因此，总的增益被限制在400左右。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity82输入管M1和M2的最小尺寸由最小的输入共模电平（即VGS1+修改设计，以达到增益指标为提高增益，首先我们观察到，rO5,6比rO1,2小得多，因此，可以增大M5和M6的栅长。（例如L5,6=1.25um)M1和M2的跨导相对较低，可以增加它们的宽度。可以通过把M3和M4的长和宽均加倍而使这两个器件的本征增益提高一倍，但以增加在X点和Y点的电容为代价。关于这些器件尺寸的精确选取，留给读者作为练习。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity83修改设计，以达到增益指标为提高增益，首先我们观察到，rO5,Single-EndedOutputCascodeOpAmps图3.161

单端输出的运放

相对于全差动的缺点：摆幅仅一半；镜像极点XInstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity84Single-EndedOutputCascodeOpTripleCascodeAvapp.(gmro)3/2LimitedOutputSwingComplexbiasing图3.162

三层叠共源共栅运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity85TripleCascodeAvapp.(gmro)3/3.4.2一级运放：2.输入范围的扩大图3.163

输入CM范围的扩展InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity863.4.2一级运放：2.输入范围的扩大图3.163InputRangeLimitations(Cont.)图3.164

输入CM范围的扩展InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity87InputRangeLimitations(Cont.)3.4.2一级运放：

3.增益的提高：

OutputImpedanceEnhancementWithFeedback图3.166

通过反馈增大输出阻抗

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity883.4.2一级运放：3.增益的提高：

OutputI3.GainBoostinginCascodeStage图3.166

共源共栅级中增益的提高

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity893.GainBoostinginCascodeSDifferentialGainBoosting图3.167

在差动共源共栅级中提高输出阻抗

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity90DifferentialGainBoosting图3.1DifferentialGainBoosting(cont.)图3.167

在差动共源共栅级中提高输出阻抗

M3漏端的最低电压变为：VOD3+VGS5+VISS2输出最小电压提高了大约一个阈值InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity91DifferentialGainBoosting(co信号通路和负载器件均采用增益提高技术图3.170增益提高技术用于信号通路和负载器件InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity92信号通路和负载器件均采用增益提高技术图3.170增益提高3.4.2一级运放：4.共模反馈

图3.171

(a)输入与输出短路的高增益差动对；(b)电源失配效应

ID3,4>ISS/2=>VX,Y增大=>M3,4进入线性区ID3,4<ISS/2=>VX,Y减小=>M5进入线性区InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity933.4.2一级运放：4.共模反馈图3.171(a)输入与HighGainAmpModel图3.172

高增益放大器的简化模型

ΔVout=(IP-IN)(RP||RN)高增益差动电路要求CMFBInstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity94HighGainAmpModel图3.172高增益放Common-ModeFeedback(cont.)图3.174

共模反馈的原理结构图

CMFB的三部分：1检测Vcom;2与Vref比较；3将误差回送至偏置网络。InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity95Common-ModeFeedback(cont.)图3ResistiveSensing图3.175

电阻检测的共模反馈

如果取R1=R2,,且R>>Rout1,2Vout,CM=(vout1+vout2)/2缺点：管芯(die)面积大InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity96ResistiveSensing图3.175电阻检测的CMFBExample图3.177

测量和控制输出CM电平

对电流源（用作负载）进行控制InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity97CMFBExample图3.177测量和控制输出CM电AlternativeCMFBforFoldedCascode控制输出共模电平的另一种方法控制尾电流

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity98AlternativeCMFBforFoldedCa3.4.2一级运放：5.转换速率

SlewRate图3.185

一种线性电路对输入阶跃的响应

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity993.4.2一级运放：5.转换速率SlewRate图3.SlewinginOpAmp图3.187

运放电路中的转换当Vin增大时，斜坡的斜率不变，该斜率被称为转换速率InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity100SlewinginOpAmp图3.187运放电路中的Small-SignalOperationofOpAmp图3.188

一种简单运放的小信号工作

不失真地放大最小的转换速率为(BW-3dB=1/τ>ω0）InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity101Small-SignalOperationofOpAOpAmpSlewingSlewrate=ISS/CL(单位V/μS)

VX上升到接近Vin时，M2导通，电路回到线性工作状态图3.189

低到高变化时的转换

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity102OpAmpSlewingSlewrate=ISS/OpAmpSlewing(cont.)高到低变化时的转换

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity103OpAmpSlewing(cont.)高到低变化时的转3.4.2一级运放：6电源抑制（PowerSupplyRejection）图3.395

采用有源电流镜的差动对的电源抑制

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity1043.4.2一级运放：6电源抑制（PowerSupply3.4.2两级运放（Two-StageOpAmps）1.结构DesignApproachforTwo-StageOpAmps图3.197

两级运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity1053.4.2两级运放（Two-StageOpAmps）1SimpleimplementationofaTwo-StageOpAmp(FullyDifferentialOpAmp)图3.198

差动输出的两级运放InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity106SimpleimplementationofaTwo第1级为共源共栅的两级运放

图3.199采用共源共栅的两级运放

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity107第1级为共源共栅的两级运放图3.199采用共源共栅的两表3.2

各种不同运放结构的性能比较增益输出摆幅速度功耗噪声套筒式共源共栅中中高低低折叠式共源共栅中中高中中两级运放高高低中低增益提高运放高中中高中InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity108表3.2各种不同运放结构的性能比较套筒式共源共栅中中高低3.4.4运放的稳定性与频率补偿

1.稳定性判据

图3.201基本负反馈系统InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity1093.4.4运放的稳定性与频率补偿

1.稳定性判据

图系统的频域特性(波特图)图3.202不稳定系统和稳定系统的环路增益的波特图InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity110系统的频域特性(波特图)图3.202不稳定系统和稳定系统闭环系统的极点位置与系统的稳定性图3.203以极点的位置确定一个系统的时域响应（a）幅值增大的不稳定状态；（b）等幅振荡的不稳定状态；（c）稳定状态

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity111闭环系统的极点位置与系统的稳定性图3.203以极点的位置确频率特性：SimplePolevivo波特图(ω=ωp,ω=10ωp)

?时域和频域?InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity112频率特性：SimplePolevivo波特图(ω=ωPolesandNodesNon-InteractingPoles放大器的级联

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity113PolesandNodesNon-Interacting构造波特图的基本规则

（1）在每个零点频率处，幅值曲线的斜率按+20dB/dec变化；在每个极点频率处，其斜率按－20dB/dec变化；（2）对一个ωp的极点（左半平面的零点）频率，相位约在0.1ωp的地方开始下降（上升），在ωp处经历－45°（+45°）的变化，在大约10ωp处达到－90°（+90°）的变化。这里的关键是：高频极点和零点对相位的影响可能比对幅值的影响更大InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity114构造波特图的基本规则（1）在每个零点频率处，幅值曲线的斜率3.4.42多极点系统(MultipoleSystems)图3.204

两极点系统中环路增益的波特图

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity1153.4.42多极点系统(MultipoleSy3相位裕度(PhaseMargin)图3.207

闭环频率响应和时间响应（a）增益交点和相位交点之间的小间距情况

；（b）PX与GX之间的大间距情况

InstituteofMicroelectronics,Xi’anJiaotongUniversity1163相位裕度(PhaseMargin)图3.207闭PhaseMargin

(cont.)PX应离开GX多远？GX仅稍低于PX,在GX处，其相位等于-175°。在这种情况下，闭环系统的响应将会怎样？

定义：PM=180°+∠