CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 课件 第6章放大器输出级设计

第6章放大器的输出级设计主讲：1教学内容

2探讨如何选择合适的输出级，掌握设计共源放大器输出级（下图中蓝色高亮部分）的方法，以及掌握对放大器进行相位补偿的方法。主要内容学习目标6.1预备知识 6.2选择合适的输出级 6.2.1共源放大器作为输出级6.2.2源跟随器作为输出级6.2.3AB级放大器作为输出级6.3两级放大器的振荡 6.3.1闭环工作的放大器6.3.2闭环放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法6.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡6.4.2共源共栅频率补偿

6.5放大器输出级DC仿真6.6本章总结3【目标6-1】掌握选择合适输出级的方法。【目标6-2】掌握放大器相位补偿的方法。【目标6-3】完成共源放大器输出级电路的设计。 4学习导航（第1次课）（第2次课）（第3次课）（第4次课）实验6.1预备知识5理想电压源，输出阻抗RO为零，输出电压VO与提供给负载RL的电流IO无关实际电压源，输出阻抗RO不为零，输出电压VO随提供给负载RL的电流IO的变化而变化。电压源输出阻抗越小，其特性越接近于理想电压源。电压源的等效模型及其电压电流特性(1)电压源的模型6.1预备知识6（2）电压跟随器根据运算放大器的“虚短”效应，可得到VOUT=VREF可以看出（1）输出电压VOUT与电源电压VDD无关，因此可以减缓来自VDD的波动，实现稳压效果（2）输出电压VOUT也与负载RL无关（3）可以在给各种负载提供不同驱动电流的同时保持输出电压的稳定，功能上相当于一个电压源。6.2选择合适的输出级7输出级是两级放大器的最后一级，对放大器的整体性能有着关键性的影响。其作用包括：把前一级的信号转换至负载所需的电压增加两级放大器的电压增益为负载提供合适的驱动电流等通常来说同一种电路结构无法满足所有应用场景的要求，因此需要进行合理的选型。本节将对共源放大器、源跟随器、AB级放大器组成的输出级进行简要介绍，帮助读者进行选型。6.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级8前面讨论了共源放大器:为了体现输出级驱动负载的功能，增加了RL和CL作为此输出级的负载。

共源放大器增益会随输入信号频率的增加而降低若将其作为输出级？9共源放大器的输出电阻为如果RL值比较大，则此共源放大器可能具有较低的3dB带宽。因此如果采用共源放大器作为输出级，则有可能会降低放大器的带宽，进而影响速度。6.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级加入负载后，会带来什么影响？则共源放大器的3dB带宽：106.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？确定其电源电压VDD、输出电压VOUT以及消耗的电流。在实际应用中，电源电压通常是已知的若假设应用场景是电压跟随器，则其输出电压也是已知的因此我们只需要确定输出级所消耗的电流即可。在确定了上述的基本条件后，即可进行共源放大器输出级的设计。11写出NMOS器件工作在饱和区的电流公式（考虑沟道长度调制效应）作答主观题10分126.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？共源放大器输出级的设计步骤Step1：计算MN1的宽长比W/L。给输出级分配合适的静态电流I1并假设MN1的过驱动电压VGS,MN1-VTHN为0.2V，由I1可得到：Step2：选取MN1的L，然后计算出W136.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？Step3：计算MP1的宽长比，需要确定流经MP1的电流以及其过驱动电压设流过MP1的最大电流为则MP1的VOV也取最大值此时为VIN_MIN须保证VIN_MIN大于等于前一级的输出电压的最小值V1ST_MIN，并留有一定的设计电压裕度又需要MP1工作在饱和区，则0.2为了保留电压裕度所以取和中的较小值，根据MOS管电流公式就可以计算出MP1的W/L

146.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级如何设计一个共源放大器输出级呢？Step4：计算在最小电流情况下VIN的值设流过MP1的最小电流为VIN_MAX根据（考虑沟道长度调制效应的）电流公式计算此时的Step5：确定VIN_MAX是否也位于前一级的输出电压范围内如果VIN_MAX高于前一级的输出电压上限，意味MP1的W/L偏大了，则需要将调整得更大一些，然后重新计算MP1的W/L重新完成步骤（3）~（4）Step6：采用工艺允许的最小L值，计算出PMOS管的W156.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1假设VDD为1.8V，前一级放大器的输出范围是0.7V到1.6V，输出电压VOUT为0.9V，静态电流I1为10μA，输出电流的最小值IOUT_MIN为0，最大值IOUT_MAX为10mA，最小工艺长度的。要求完成图6.2-1中共源放大器输出级的电路设计并进行仿真验证。166.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1设计：Step1：Step2：Step3：当MP1流过最大电流取其中较小的电压值作为过驱动电压，即176.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1设计：Step4：MP1在最小电流状态下的过驱动电压值为在前一级的输出电压范围内取工艺允许的最小Step5：Step6：186.2选择合适的输出级6.2.1共源放大器作为输出级工程问题6.2-1仿真验证：VIN和出现了一定的偏差，原因在于：沟道长度较短、MP1进入了亚阈值区域、电流范围较大，使MP1的特性偏离了计算所用的平方律特性。19假设VDD为1.8V，前一级放大器的输出范围是0.2V到1.1V，输出电压VOUT为0.9V，静态电流I1为10μA，输出电流的最小值IOUT_MIN为0，最大值IOUT_MAX为10mA，最小工艺长度的。要求参考图6.2-1中共源放大器输出级的电路设计NMOS共源级。作答如果是采用NMOS共源放大器输出级，则|VGS,MP1|-|VTHP|应替换为VGS,MN-VTHN，

VDD-(V1ST_MIN+0.2V)-|VTHP|应替换为(V1ST_MAX-0.2V)-VTHN，VDD-VOUT-0.2V应替换为VOUT-0.2V，VIN_MAX应替换为VIN_MIN。主观题10分206.2选择合适的输出级6.2.2源跟随器作为输出级图6.2-2源跟随器共漏结构，也称为源跟随器所以VOUT电压相对较低（1）源跟随器输出级不适用于需要输出较高电压的场合216.2选择合适的输出级6.2.2源跟随器作为输出级（2）小信号增益因此其直流电压增益约为1通常226.2选择合适的输出级6.2.2源跟随器作为输出级（3）输出电阻比较小在具有相同的负载电容的情况下，与共源级放大器输出级相比，源跟随器输出级会具有更宽的3dB带宽，对多级放大器的响应速度影响也较小23参考下图，画出PMOS共漏级（源跟随器）的电路图，并小信号分析增益。作答主观题10分24对共源、共栅、共漏放大器的结构进行归纳，包括输入阻抗、输出阻抗、增益等。作答主观题10分256.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级A类放大器：显著特点是在整个输入信号周期内（360度）持续传导电流，其输出级的晶体管始终保持在导通状态。B类放大器：一对输出晶体管仅在输入信号的半个周期内（180度）导通，信号的正半周期和负半周期输出波形交替激活，在输出端组合形成一个完整的输出波形。线性度非常高，适用于高保真信号放大的场合。无输出信号的情况下，晶体管也必须提供等于或大于产生最大输出信号所需的最大负载电流。极大的能量浪费，很少被用于高功率放大器应用显著提高了放大器的工作效率，因为在任何给定的时刻，只有半数的输出设备在消耗功率但存在交越失真的问题26AB类放大器：对输出晶体管施加一个小的静态电流偏置，确保在没有信号或信号很小时，正负相通道始终保持微开状态，有效克服B类放大器的交越失真问题。由AB级放大器组成的输出级6.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级实际上是将组成放大器的MOS管偏置于刚导通的临界点上，降低其在无输入信号时所消耗的电流保持较高线性度的同时，也具有较高的能效27无输入信号时，电流Ib1将M1和M2都偏置于刚导通的临界点上，使M2的栅极与电源之间形成了2倍的阈值电压（2|VTHP|）大小的电压差。如果M4的电流和尺寸都与M2相同，则M4的|VGS|也约为|VTHP|，因此M5也会被强制偏置于导通的临界点上，使得流经M5的电流较小。同理，如果电流Ib2将M6和M7都偏置于导通的临界点上，且M8的电流和尺寸都与M6相同，则M11也会被强制偏置于导通的临界点上，使得流经M11的电流较小。由AB级放大器组成的输出级6.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级28AB级放大器输出级能够像其它两种输出级一样驱动负载，且能够减小放大器在无输入信号情况下输出级消耗的电流，具有更高的电流效率。采用了AB级放大器输出级的两级放大器6.2选择合适的输出级6.2.3AB类放大器作为输出级29若采用共源放大器作为输出级，则该输出级属于A类放大器B类放大器AB类放大器以上都不是ABCD提交单选题2分30若采用源跟随器作为输出级，则该输出级属于A类放大器B类放大器AB类放大器以上都不是ABCD提交单选题2分小结共源放大器作为输出级源跟随器作为输出级AB类放大器作为输出级31讨论：各有何优缺点？6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器32不能。可以直接用上一节中介绍的三种输出级来驱动负载吗？设输入电压VIN是一个固定值，某条件下，此输出级能给负载电路提供足够的电流并将输出电压稳定在0.9V。设某一时刻负载电路的工作模式变化，需要从MP1抽取更多的电流。由于VIN固定不变，MP1的VGS也是一个固定值，因此MP1的电流几乎不会发生变化，则此部分电流就只能从MN1的支路中来抽取，从而会导致电流I1的下降，进而导致输出电压VOUT的下降。意味着单独使用共源放大器输出级来驱动负载电路时，一旦负载电流发生了变化，输出电压就无法维持恒定33因此，在具有此反馈系统的情况下，即使负载电流在工作中出现变化，VOUT也能够保持稳定。由于VOUT被反馈系统调节的方向与其本身变化的方向相反，这种反馈被称为负反馈。6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器增加一个反馈系统，形成闭合环路当电压检测电路检测到VOUT的变化时，电压调节电路能够调节VIN，进而调节MP1的电流，从而使VOUT向相反方向变化。34如图6.3-2所示的电压跟随器，假设放大器的直流电压增益为A，放大器本身输出电阻为R，输出电容为C，要求计算此电压跟随器的直流电压增益（不得使用虚短和虚断原理），以及其3dB带宽。工程问题6.3-16.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器计算：极点极点频率或3dB带宽为35工程问题6.3-1只要放大器的直流电压增益A足够大，电压跟随器的直流电压增益将会约等于1。虽然付出了直流电压增益下降的代价，但却获得了良好的增益稳定性和线性度。其3dB带宽为，是放大器自身3dB带宽的1+A倍，因此其响应速度也比开环使用放大器要快得多6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器结论：对于闭环放大器：36

作答主观题10分37讨论1：用s域法分析电路的实例式中:极点p=-1/(RC)极点在-1/(RC)38讨论1：用s域法分析电路的实例极点频率RC低通滤波电路幅值和相位会跟随频率f变化39讨论1：用s域法分析电路的实例RC低通滤波电路对输出信号的影响在频域，可以用波特图（幅频和相频响应）来描述对输出信号的影响：当输入信号的频率f>fH，输出信号的幅度将会被衰减。输出信号的相位比幅度更早发生变化，f=fH处产生的相移为45°，而最大的相移为90°。相移中的负号代表输出信号要滞后于输入信号，在时域中表现为输出信号的延时。40理想电压放大器同理：各极点之间没有相互作用讨论2：极点与结点的关联讨论2：极点与结点的关联41理想电压放大器各极点之间没有相互作用有三个实极点，每个实极点的大小等于从该结点“看进去”的总电容与从该结点“看进去”的总电阻的乘积的倒数。因此我们可以说电路中的每一个结点对传输函数贡献一个实极点！！！其大小Pi＝1/RiCi=1/τi如图电路框图，A1为理想运放，则下列说法正确的有该电路有两个极点A1输入端等效电容为Cin电路传输函数为电路传输函数为ABCD提交多选题1分43下列关于闭环放大器的说法，正确的有闭环放大器能够稳定输出电压闭环放大器能够增大带宽闭环放大器能够改善增益线性度闭环放大器能够提高增益ABCD提交多选题4分44直流电压增益下降但增益稳定性和线性度提升3dB带宽也提升6.3两级放大器的振荡6.3.1闭环工作的放大器增加一个反馈系统，形成闭合环路负反馈6.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡45闭环放大器能够稳定输出电压，具有增大带宽、保持增益线性度等诸多优点。然而，具有输入级和输出级等两级以上的闭环放大器却有可能出现振荡的问题，即在输入信号不变的情况下出现不稳定的输出信号。贯穿项目的半成品电路电流偏置、输入级和输出级等关键部分都已经设计完毕，且VFB连接到了放大器的负输入端，构成了一个闭环放大器。46其瞬态仿真的结果如图6.3-4所示，可以看到在输入信号已经稳定的情况下，放大器的输出电压出现了振荡的情况。放大器的振荡波形造成这种现象的原因是什么呢？6.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡47当输入信号VFBI通过此环路时由于环路增益的存在，其幅度会被放大；由于负反馈的作用，VFBI会被此环路反相，即产生-180°的相移；如果VFBI是一个频率为f的交流信号，当其经过R1C1、R2C2后会产生最大为-180°的总相移。6.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡定性分析导致输出信号与输入信号同向且被放大。此信号会重新进入到输入端，再次经历同样的过程。如此循环往复，信号不断被放大，电路则会产生振荡。48计算图6.3-5所示电路的环路增益和极点频率，假设AMP1和AMP2的开环增益分别为A1和A2，反馈网络的增益为β。工程问题6.3-26.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡496.3两级放大器的振荡6.3.2闭环放大器的振荡幅值相位6.3两级放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法50此频率处的环路增益大于1；此频率处RC网络产生的信号相移为-180°闭环放大器在频率f处振荡的必要条件通过环路增益的波特图来判断闭环放大器是否满足上述两个振荡的必要条件。波特图：横轴采用对数坐标，幅值经过20lg变换，以分贝（dB）为单位表示51

作答填空题6分6.3两级放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法52此频率处的环路增益大于1；此频率处RC网络产生的信号相移为-180°闭环放大器在频率f处振荡的必要条件1：-90°2：-90°F3处:增益是否大于16.3两级放大器的振荡6.3.3通过波特图判定闭环放大器振荡的方法53稳定性（STB，Stability）仿真图6.3-7环路增益的波特图的仿真结果在77MHz附近，环路的相位下降到0°，所以环路的总相移为-360°（由于环路本身是负反馈环路，相位是从180°开始下降的）此时的环路增益约为7.8dB这意味着噪声信号会被不断放大，从而产生振荡。54根据如下环路增益的波特图，判断负反馈放大器所处的状态振荡稳定无法判断ABC提交单选题2分55根据如下环路增益的波特图，判断负反馈放大器所处的状态振荡稳定无法判断ABC提交单选题2分56根据环路增益的波特图，判断负反馈放大器所处的状态作答主观题2分小结引入闭环负反馈结构，以保证输出稳定提高了增益的稳定性和线性度降低了直流增益大小提高了带宽S域法分析电路的传输函数和极点频率但引入反馈后，可能导致输出振荡闭环放大器在频率f处振荡的必要条件:此频率处的环路增益大于1；此频率处RC网络产生的信号相移为-180°波特图法，判断是否振荡STB仿真576.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡58环路增益下降到0dB处的频率fu被称为单位增益频率fu对应的相位与-180°之间的相位差被称为相位裕度通过移动极点频率（极点分裂）避免闭环放大器振荡的行为被称为频率补偿频率补偿的效果如何才能避免闭环放大器振荡呢？将第一极点频率移动到更低频处，第二极点频率移动到更高频处。59频率补偿方式之一：在放大器输出级的输入和输出端跨接一个电容CC，米勒电容利用米勒电容进行频率补偿6.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡这种电容倍增的效应被称作米勒效应，CC也被称为米勒电容。与CC单端接地的情况相比，存储的电荷的变化量变为了（1+A）倍，相当于从VIN端看到的有效电容的大小变为了（1+A）Cc606.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡极点频率f2被推向更高频图6.4-3两级闭环放大器在加入米勒电容后的等效模型极点频率f1会向低频处移动频率补偿的效果616.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡选择多大的补偿电容才能保证闭环放大器的稳定呢？补偿电容的设计主要包括以下两个步骤：选定一个任意的初始电容值，例如100fF，仿真放大器的相位裕度；如果相位裕度小于45°，即可适当增大电容，反之则可以适当减小电容。比较通用的标准是要保证在所有PVT条件下，最小的相位裕度要大于45°。626.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡贯穿项目的半成品电路在加入了5pF米勒电容后的波特图环路增益的幅值为0dB时，相位裕度约为94°636.4神奇的米勒电容6.4.1用米勒电容防止闭环放大器的振荡贯穿项目的半成品电路在加入了米勒电容后的瞬态仿真结果6.4神奇的米勒电容6.4.2共源共栅频率补偿64（a）米勒电容频率补偿

（b）共源共栅频率补偿

两种频率补偿方式的异同点？65共源共栅频率补偿：补