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1、,西电微电子：模拟集成电路设计,第九章,运算放大器,董刚,Email: ,2007年9月,op amp Ch. 9 # 1,西电微电子：模拟集成电路设计,op amp Ch. 9 # 2,西电微电子：模拟集成电路设计,回顾, 反馈系统中负载的影响,二端口网络模型,电压-电压反馈中的负载 电流-电压反馈中的负载 电压-电流反馈中的负载 电流-电流反馈中的负载,op amp Ch. 9 # 3,西电微电子：模拟集成电路设计 二端口线性时不变系统的四种模型,a. b. c. d.,Z模型 Y模型 H模型 G模型,op amp Ch. 9 # 4,西电微电子：模拟集成电路设计 Z模型 V1 = Z11
2、 I1 + Z12 I 2 V2 = Z 21 I1 + Z 22 I 2,返回信号,检测信号,op amp Ch. 9 # 5,西电微电子：模拟集成电路设计 Y模型 I1 = Y11V1 + Y12V2 I 2 = Y21V1 + Y22V2,返回信号,检测信号,op amp Ch. 9 # 6,西电微电子：模拟集成电路设计 H模型 V1 = H11 I1 + H12V2 I 2 = H 21 I1 + H 22V2,返回信号,检测信号,op amp Ch. 9 # 7,西电微电子：模拟集成电路设计 G模型 I1 = G11V1 + G12 I 2 V2 = G21V1 + G22 I 2,
3、返回信号,检测信号,op amp Ch. 9 # 8,西电微电子：模拟集成电路设计 选择二端网络模型表述反馈网络,反馈网络类型 电压-电压反馈 V1-V2 电流-电压反馈 I1-V2 电压-电流反馈 V1-I2 电流-电流反馈,描述 V2=X21V1+X22I2 V2=X21I1+X22I2 I2=X21V1+X22V2 I2=X21I1+X22V2,对应模型 G模型 Z模型 Y模型 H模型,I1-I2 op amp Ch. 9 # 9,1,西电微电子：模拟集成电路设计 电压-电压反馈中的负载 （a）G模型 （b）简化的G模型（忽略反馈网 络的反向增益）,Ve = (Vin G21Vout )
4、,Z in Z in + G22,Vout,= A0Ve,G111 Z out + G111,Vout Vin,=,A0 1 + A0,Z in G111 Z in + G22 Z out + G111 Z in G111 Z in + G22 Z out + G11,G21,op amp Ch. 9 # 10,1,V2,I 2,西电微电子：模拟集成电路设计 等效开环增益的计算,Vout Vin,=,A0 1 + A0,Zin G111 Zin + G22 Z out + G111 Zin G111 Zin + G22 Z out + G11,G21,Av ,open,= A0,Zin G11
5、1 Zin + G22 Z out + G111,G11 =,I1 V1,|I 2 =0,G22 = |V1 =0 op amp Ch. 9 # 11,=,=,西电微电子：模拟集成电路设计 计算开环增益与闭环增益,Av ,open G21 =,VY RD1 Vin RF | RS + 1 / g m1 RS RS + RF, g m 2 RD 2 | ( RF + RS ),Av ,closed =,Av ,open 1 + G21 Av ,open,op amp Ch. 9 # 12,V2,V1,西电微电子：模拟集成电路设计 小结：电压-电压反馈中的负载 I1 = G11V1 + G12 I
6、 2 V2 = G21V1 + G22 I 2,G11 = G22 =,I1 V1 V2 I 2,|I 2 =0 的输出端开路 |V1 =0 的输入端短路, = G21 =,|I 2 =0 的输出端开路,G11 : 导纳量纲，反馈网络输入端看进去的导纳 G22 :电阻量纲，反馈网络输出端看进去的电阻 G21 : 无量纲 op amp Ch. 9 # 13,西电微电子：模拟集成电路设计,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,op amp Ch. 9 # 14,西电微电子：模拟集成电路设计,
7、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,op amp Ch. 9 # 15,西电微电子：模拟集成电路设计,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,op amp Ch. 9 # 16,1,1 1,1, ,西电微电子：模拟集成电路设计 增益 高开环增益： 抑止非线性, =,R2 R2 + R1,理想运放时系统的闭环增益为,实际运放A1，系统的闭环增益为 1 1 A1,1 1 A1 ,若闭环增益为10，要求增益误差小于1，则A1 1000 op amp Ch. 9 # 17,西电微电子：模拟集成电路设计
8、 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,1 A1, ,其中为增益误差 op amp Ch. 9 # 18,西电微电子：模拟集成电路设计,小信号带宽, 小信号带宽通常定义为单位增益频率fu, 3dB频率f3dB与fu的示意如下（均为对数坐标）,op amp Ch. 9 # 19,1 1,t,A0,西电微电子：模拟集成电路设计 小信号带宽与信号建立时间的关系 设前馈放大器为单极点系统,A(s) =,A0 1 + s,0,闭环带宽扩展为(1 + A0 )倍 时间常数 = (1 + A0 )0 A00 Vin = au(t ) Vo
9、ut = a (1 e )u(t ) 1 + A0 1%稳定精度：t1% = ln100 4.6 0.1%稳定精度：t0.1% = ln1000 6.9,稳定精度1 稳定时间小于5ns 1/=1+R1/R2=10 则1.09ns fu1/20 1/(2) 1.46 GHz op amp Ch. 9 # 20,西电微电子：模拟集成电路设计,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,op amp Ch. 9 # 21,西电微电子：模拟集成电路设计,单级运算放大器,低频小信号增益 : Av
10、 0 = g m1 (ro 2 | ro 4 ) = g m1ro 2, 4,op amp Ch. 9 # 22,西电微电子：模拟集成电路设计,单级运放的单位增益接法,op amp Ch. 9 # 23,西电微电子：模拟集成电路设计,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|,op amp Ch. 9 # 24,西电微电子：
11、模拟集成电路设计 单位增益放大器的闭环输出阻抗 开环输出阻抗：ro 2 | ro 4 环路增益：g m1 (ro 2 | ro 4 ) 闭环输出阻抗为：,Rout ,cl =,ro 2 | ro 4 1 1 + g m1 (ro 2 | ro 4 ) g m1,op amp Ch. 9 # 25,西电微电子：模拟集成电路设计,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,op amp Ch. 9 # 26,西电微电子：模拟集成电路设计,共源共栅运算放大器,Av 0 = g m 2 (g
12、m 4 ro 4 ro 2 | g m 6 ro 6 ro8 ),op amp Ch. 9 # 27,西电微电子：模拟集成电路设计,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+VGS1 =Vdsat+Vth1+Vdsat1, 输入上限：,Vin,max=Vb-|VGS4|+Vth1, 设所有晶体管的Vdsat相等，则,Vin,max-Vin,min=Vb-|Vth4|-3Vdsat, Vb |Vth4|+3Vdsat, Vb越大，输入共模电平摆幅越大,op amp Ch. 9 # 28,西电微电子：模拟集成电路设计,单端输出共源共栅运放的
13、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|-2Vdsat,Vb越小，输出摆幅越大,输出摆幅的最大值为,VDD-|Vth7|-5Vdsat,op amp Ch. 9 # 29,西电微电子：模拟集成电路设计,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
14、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),op amp Ch. 9 # 30,西电微电子：模拟集成电路设计,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,输出最大值：Vb VGS 4 +
15、Vth 2 输出最小值：Vb Vth 4,输出摆幅：Vth 2 + Vth 4 VGS 4,op amp Ch. 9 # 31,西电微电子：模拟集成电路设计,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,op amp Ch. 9 # 32,西电微电子：模拟集成电路设计,单端输出的共源共栅运放（2）,Vout ,min = Vb1 Vth 4,Vout ,max = Vb 2 + | Vth 6 |,Rout = (g m 6 ro 6 ro8 ) | (g m 4 ro 4 ro 2 ),Av 0 = g m1 Rout,op amp Ch. 9 # 33,西电微电子：模拟集成电路设计,全差分共源共栅运放的设计(1),性能指标,VDD = 3V,输出摆幅 = 3V,功耗 = 10mW,Av 0 = 2000,工艺参数,n Cox = 60 A/V 2 p Cox = 30 A/V 2,n = 0.1 V -1 (L = 0.5m) p = 0.2 V -1 (L = 0.5m), = 0,vthn =| vthp |= 0.7V,op amp Ch. 9 # 34,西电微电子：模拟集成电路设计
