集成电路设计与仿真项目教程 课件 项目9 运算放大器设计与仿真

集成电路设计与仿真项目教程Agenda项目1集成电路设计认知项目2MOS晶体管认知项目3CMOS反相器设计与仿真项目4静态组合逻辑门设计与仿真项目5时序逻辑门设计与仿真项目6动态逻辑门设计与仿真项目7电流镜设计与仿真项目8单管放大器设计与仿真项目9运算放大器设计与仿真项目10电压基准源设计与仿真2025/7/21011.1差分输入电压1.2共模输入输出电压1.3差分放大电路交流分析差分放大电路3.1运算放大器开环频率响应3.2运算放大器共模输入范围3.3运算放大器压摆率3.4运算放大器建立时间3.5运算放大器输出摆幅

3.6运算放大器失调电压

3.7运算放大器共模抑制比3.8运算放大器电源抑制比3.9运算放大器直流增益3.10运算放大器静态功耗03运算放大器参数分析022.1两级运算放大电路结构2.2两级运算放大电路频率响应基本两级运算放大器设计2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真1.1差分输入电压01差分放大电路2025/7/21如图所示为电流镜负载差分放大电路。NMOS晶体管MN1、MN2构成差分输入对（源极耦合对）；共源共栅结构的NMOS晶体管MN3、MN4组成尾电流源；PMOS晶体管MP1、MP2构成电流镜负载；输出端从晶体管MN2的漏极输出。差分放大电路项目9运算放大器设计与仿真差分放大电路1.1差分输入电压01差分放大电路2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真1.1差分输入电压01差分放大电路2025/7/21为了保证差分放大器正常工作，它有一个输入直流偏置电压，称为共模输入电压（VCM）。最大和最小差分输入电压（交流）都是相对于共模输入电压VCM而言的。最大差分输入电压为正值，表示比参考共模输入电压VCM大；最小差分输入电压为负值，表示比参考共模输入电压VCM小。差分放大电路项目9运算放大器设计与仿真1.2共模输入输出电压01差分放大电路2025/7/21（1）最大和最小共模输入电压为了保证差分放大器正常工作，它有一个最大、最小直流输入偏置电压范围，称为共模输入电压VCM范围。差分放大器的两个输入端，任何一个的输入电压超过此范围，都将引起差分放大器不能正常工作。这个共模电压把所有的MOS晶体管偏置在饱和状态，它是设定差分放大器直流静态工作点的关键参数。如图所示为两输入端连接在一起的差分放大器。晶体管MN1和MN2工作在饱和区的最大和最小工作电压称为最大输入共模电压VCMMAX和最小输入共模电压VCMMIN。当共模电压VCM太大时，晶体管MN1、MN2都处于线性区。当共模电压太小时，晶体管MN1、MN2均截止断。只有，当共模电压适中时，晶体管MN1、MN2都处于饱和区，差分放大器正常工作。差分放大器输入端相连项目9运算放大器设计与仿真1.2共模输入输出电压01差分放大电路2025/7/21差分放大器输入端相连项目9运算放大器设计与仿真（1）最大和最小共模输入电压1.2共模输入输出电压01差分放大电路2025/7/21差分放大器输入端相连项目9运算放大器设计与仿真1.3差分放大电路交流分析01差分放大电路2025/7/21交流分析简化图项目9运算放大器设计与仿真放大器交流分析时，用开路替代共源共栅尾电流源，用短路（接地）替代直流电源（VDD）。如上图所示为差分放大器交流分析简化图。交流电流示意图其中：负的交流电流仅仅意味着相对直流（总电流=直流+交流）在减小。那么上图中NMOS晶体管NM1、MN2的漏极交流电流为，MN1的漏极电流为正。如下图所示为交流电流示意图。1.3差分放大电路交流分析01差分放大电路2025/7/21交流分析简化图项目9运算放大器设计与仿真交流电流示意图1.3差分放大电路交流分析01差分放大电路2025/7/21交流分析简化图项目9运算放大器设计与仿真交流电流示意图随着晶体管MN1栅极输入电压的增加，MN1中的电流id1增加，这会引起输出电压增加（相对于输出节点vout，id1为正）；当晶体管MN2栅极输入电压增加，MN2中的电流id2增加，引起输出电压下降（相对于输出节点vout，id2为负）。因此，MN1的栅极输入电压称为同相输入（输出随输入的增大而增大），而MN2的栅极输入称为反相输入。两级运算放大器电路如图。当差分放大电路的输入电压相同时，PMOS晶体管MP1与MP2的电流相等（ISS/2）。可知，MP2的漏极与MP1栅极具有相同的电压，即：VSG(P1)=VSD(P2)。那么用这个电压去作为PMOS晶体管MP3的偏置栅压，它与MP1栅极具有相同的电压。2.1两级运算放大电路结构02基本两级运算放大器设计2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真两级运算放大器图中的基本二级运算放大电路，由第一级差分放大电路（差分输入对管MN1和MN2，共源共栅尾电流源MN3和MN4，电流镜负载MP1和MP2）和第二级PMOS晶体管MP3共源放大电路（MP3是共源放大管，MN5和MN6组成共源共栅电流源负载）构成二级放大电路。为了保证运算放大器的稳定性，不会产生自激振荡，在电路中增加密勒补偿电容Cc和消除零点电阻Rz，构成频率补偿网络。密勒补偿电容Cc与消除零点电阻Rz串联后，跨接在输出与第二级放大管MP3栅极之间。由于这个运算放大器没有输出缓冲器（它的输出电流比较小），因此在驱动容性负载及重载时受到了一定限制。2.1两级运算放大电路结构02基本两级运算放大器设计2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真两级运算放大器两级运算放大器频率响应如图所示，图上为幅频特性；图下为相频特性。图中给出了频率补偿前与频率补偿后的幅频曲线与对应相频曲线。幅频特性图中p1’频率补偿前为放大器第一个极点；p2’频率补偿前为放大器第二个极点。没有频率补偿时相位裕度大约为0度（虚线所示），这时放大器是不稳定的，需要进行频率补偿。补偿后的第一个极点为p1；第二个极点为p2。已经频率补偿的相位裕度大约为45度，达到了放大器稳定工作的下限。2.2两级运算放大电路频率响应02基本两级运算放大器设计2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真频率补偿2.2两级运算放大电路频率响应02基本两级运算放大器设计2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真频率补偿3.1运算放大器开环频率响应03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真开环频率响应仿真电路图为了对运算放大器的开环频率响应进行仿真，可先把运算放大器封装成一个符号图（Symbol），仿真配置如图所示。反馈大电阻和大电容形成的时间常数比较大，因此输出电压当中的交流成分都不会反馈回反相输入端；但是，设定直流静态工作点偏置电压会被反馈，因此运算放大器能正常工作，即：所有MOS管都工作在饱和区。运算放大器开环频率响应仿真图3.2运算放大器共模输入范围03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器共模输入电压仿真电路图根据前面差分放大电路给出的最大和最小共模输入电压，可知理论上最小共模输入电压0.78V，给出的最大共模输入电压1.62V。这就意味着要使此运算放大器正常工作，共模输入电压应该落在0.78V~1.62V的范围内。如果超出此范围，运算放大器的增益会降低，有可能采用此运算放大器的电路就无法正常工作。运算放大器共模输入电压仿真图3.3运算放大器压摆率03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器压摆率仿真电路图转换速率（压摆率，SR）是测量输出信号的最大斜率变化的量。其定义为放大电路在闭环状态下，输出为大信号（例如阶跃信号）时，放大器输出电压对时间的最大变化率。运算放大器压摆率仿真图3.4运算放大器建立时间03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器建立时间仿真电路图运算放大器建立时间是用来描述电路输出信号的稳定状况，输入小信号经过电路正常工作后，输出信号经过一定时间内的起伏最后趋近稳定。对于阶跃响应小信号，建立时间包括建立时间和保持时间。运算放大器建立时间仿真图3.5运算放大器输出摆幅03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器输出摆幅仿真电路图对于运算放大器而言，最大输出摆幅受到进入线性区工作的MOS晶体管限制。如果必须要将PMOS晶体管的压降至少保持为0.18V，那么最大输出电压理论值就是1.62V；NMOS晶体管饱和工作的最小压降也为0.18V，那么最小输出电压理论值就是0.36V。但是，由于运算放大器增益很大，MOS晶体管工作在线性区仍然可以正常工作，因此运算放大器的输出摆幅很宽。运算放大器输出摆幅仿真图3.6运算放大器失调电压03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器失调电压仿真电路图失调电压，又称输入失调电压（OffsetVoltage），由于运算放大器内部电路的不匹配造成。指在差分放大器或差分输入的运算放大器中，为了在输出端获得恒定的零电压输出，而需在两个输入端所加的直流电压之差；如果在差分放大器的两个输入端加有相等的输入电压时，输出电压差值称为输出失调电压。失调电压计算公式为式：运算放大器失调电压仿真图3.7运算放大器共模抑制比03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器共模抑制比仿真电路图为了说明运算放大器抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比（CommonModeRejectionRatio，CMRR）这个技术指标来衡量。其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数与对共模信号的电压放大倍数之比，称为共模抑制比，单位是分贝dB。共模抑制比计算公式为式：运算放大器共模抑制比仿真图3.8运算放大器电源抑制比03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器电源抑制比仿真电路图运算放大器电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”噪声。而电源抑制比（PowerSupplyRejectionRatio，PSRR）就是测量运算放大器抑制这种偏差程度的参数。一般定义它为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益，单位是分贝dB。运算放大器电源抑制比仿真图电源抑制比计算公式为式：3.9运算放大器直流增益03运算放大器参数分析2025/7/21项目9运算放大器设计与仿真运算放大器直流增益仿真电路图直流增益（开环电压增益）定义：运算放大器开环工作时，输出电压变化与差模输入电压变化之比。