CMOS恒跨导运算放大器设计实用实用教案

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1、1 跨导运算放大器简介（1）概述(i sh) 跨导运算放大器(Operatinoal Transconductance Amplifier,简称OAT)是一种电压输入、电流输出的电子放大器,是一种电压控制的电流源。跨导放大器的增益是输出电流与输入电压的比值,量纲为电导,单位为西门子(S)。由于跨导放大器内部只有电压一电流变换级和电流传输级,没有电压增益级,因此没有大摆幅电压信号和米勒电容增倍效应,高频性能好,大信号下的转换速率也高,同时电路结构简单,电源电压和功耗都比较低。第1页/共42页第一页，共43页。（2）跨导运算放大器模型 OTA的符号如图所示,它有两个输入端,一个输出端,一个控制端。

2、符号上的“+”号表示同相输入端,“一”表示反相输入端, 是输出电流, 是偏置电流,即外部控制电流。 OTA的传输特性用下列方程式描述： 其中 输出电流(A)； 是差模输入电压(V)；G是开环增益(S),称为跨导增益。 在小信号下,跨导增益G是偏置电流 的线性函数,其关系式为： h称为跨导增益因子, 称是热电压,在室温条件下(T=300K)下, =26mv,可以(ky)计算出h=19.2(1/V)OTA的电路(dinl)符号第2页/共42页第二页，共43页。（3）OTA的小信号理想模型 根据上式传输(chun sh)特性方程式,可画出OTA的小信号理想模型如图所示。 对于这个理想模型,两个电压输

3、入之间开路,差模输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入电压控制的电流源,输出电阻为无穷大。同时,理想跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、频带宽度等参数均为无穷大,输入失调电压、输入失调电流等参数均为零。OTA的小信号理想(lxing)模型第3页/共42页第三页，共43页。2 CMOS恒跨导运算放大器的设计（1）设计指标 工作电压： 2.7V 直流开环增益：90dB 相角裕度： 增益带宽(di kun)积：1.4MHz 负载电容：25pF第4页/共42页第四页，共43页。（2）运算放大器原理框图 输入级采用互补差分对结构，使共模输入电压范围达到轨到轨，通过3倍电流镜控制尾电流使输入级总跨导恒

4、定。 中间级为增益提高级，通过反馈增大(zn d)输出阻抗提高增益。 输出级采用AB类结构，通过米勒补偿控制零点使系统稳定，此运放可用于低压低功耗电子设备中。跨导运算放大器工作(gngzu)原理第5页/共42页第五页，共43页。（3）输入级电路原理图 M1和M2为对PMOS的差分对管，M3和M4为NMOS差分对管，M5和M8为控制尾电流的开关管。其中，M1和M3接正的输入信号IN+，M2和M4接负的输入信号IN-。 当Vcm接近于Vss时，M1和M2差分对管导通，PMOS电流开关管M8截止，NMOS开关管M5导通，则电流 被M5抽走，经过1:3电流镜M6和M7后注入到 中，为M1和M2提供4倍

5、尾电流； 当Vcm接近于Vdd时，M3，M4和M8导通，M5截止，则尾电流 经开关管M8和1:3电流镜M9和M10给输入管M3和M4提供4倍尾电流； 当Vcm处于中间状态时，互补差分输入管M1，M2，M3，M4均工作，开关管M5和M8均截止，此时只有 和 提供尾电流，从而电路跨导保持(boch)恒定。（Vcm为共模输入电压）3倍电流(dinli)镜输入级电路图第6页/共42页第六页，共43页。（4）增益级 本设计的运算放大器利用反馈增大输出阻抗，实现高直流增益，放大输入级产生的两对差分输入电流 与 ，运算放大器A1和A2为晶体管M14和M18提供电压增益，最终放大的信号(xnho)驱动输出晶体

6、管M26和M22的栅端。增益(zngy)提高的AB类运算放大器第7页/共42页第七页，共43页。 增益级简化电路 本设计采用增益自举式结构，通过反馈(fnku)(fnku)增大输出阻抗。如图a a，在增益自举式结构中，前跨导级把输入电压转化为输入电流 ，共源共栅晶体管M M用于放大电流 ，运算放大器A A用来控制M M的栅极。变化的电流流经M M的沟道和有限的源端阻抗 ，在M M的源端产生一个小的变化电压，调制了输入电流 。电路中形成反馈(fnku)(fnku)回路，从而A A把源端电压固定在参考电压VrefVref上。这强迫流经源端阻抗 的电流减少，输入电流 全部流入共源共栅晶体管M M。所

7、有流入M M端的电流再次出现在M M端的漏端，此时电路可视为一个极高输出阻抗的理想电流源。增益提高(t go)简化电路第8页/共42页第八页，共43页。 小信号等效电路 对CMOS增益提高电路进行小信号分析，如图b其中V0为M的源端电极，V1为M的栅源电压差， 为M的漏极输出(shch)电压， 为M的漏极输出(shch)电流由上式可以得到输出(shch)阻抗：而单共源共栅电路的输出(shch)阻抗为：电路的小信号分析表明输出(shch)阻抗 值增大。增益(zngy)提高的小信号等效电路第9页/共42页第九页，共43页。 输出级 输出级采用AB类结构，增强了电路驱动能力，并提高了电源效率。电容(

8、dinrng)与电阻串联构成米勒补偿，控制波特图右半平面的零点，改善系统稳定性。增益(zngy)提高的AB类运算放大器第10页/共42页第十页，共43页。 谢谢(xi xie) ！第11页/共42页第十一页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第12页/共42页第十二页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第13页/共42页第十三页，共43页。 微弱信号概述(i sh) 微弱信号相关检测技术 相关检测的应用锁定放大器第14页/共42页第十四页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第15页

9、/共42页第十五页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第16页/共42页第十六页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第17页/共42页第十七页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第18页/共42页第十八页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第19页/共42页第十九页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第20页/共42页第二十页，共43页。请在此输入您的标题(biot)请在此输入您的文本(wnbn)。第21页

10、/共42页第二十一页，共43页。微弱信号概述微弱信号的定义有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。如输入(shr)信号的信噪比为10-2或者更小，即信号完全淹没在噪声之中。有用信号的幅度绝对值很小，如检测v、nV乃至pV量级的电压信号；检测每秒钟多少个光子的弱光信号与图象。第22页/共42页第二十二页，共43页。l l科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，例如：科学研究中经常常需要检测极微弱的信号，例如：l l生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电l l天文学中的星体光谱天文学中的星体光谱l l化学反映中的物质生成过程化学反映中的物质生成过程l l物理学中表

11、面物理特性物理学中表面物理特性l l光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱l l微机电系统微机电系统(xtng)(xtng)（MEMSMEMS）的微位移、微力、）的微位移、微力、微电流、电压等微电流、电压等第23页/共42页第二十三页，共43页。l l微弱信号检测微弱信号检测l l任务：提高检测系统输出信号的信噪比，任务：提高检测系统输出信号的信噪比，l l 检测被噪声淹没的微弱有检测被噪声淹没的微弱有用信号。用信号。l l方法：方法：l l分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频分析噪声产生的原因和规律（如噪声幅度、频率、相位率、相位(xingwi)

12、(xingwi)(xingwi)(xingwi)等）等）l l研究被测信号的特点（频谱与相关性等研究被测信号的特点（频谱与相关性等) ) ) )l l传统的检测方法有：滤波技术，调制解调技术，传统的检测方法有：滤波技术，调制解调技术，相关检测技术，取样积分，自适应噪声抵消等相关检测技术，取样积分，自适应噪声抵消等l l新的检测方法有：小波变换，混沌理论新的检测方法有：小波变换，混沌理论第24页/共42页第二十四页，共43页。微弱微弱(wiru)(wiru)信号检测的进展信号检测的进展l l美国吉时美国吉时(j sh)(j sh)利利(KEITHLEY)(KEITHLEY)仪器公司是当前世界上微

13、仪器公司是当前世界上微弱信号检测的先驱，水平如下弱信号检测的先驱，水平如下第25页/共42页第二十五页，共43页。1. 信噪比信噪比信噪比信噪比SNRSNRl lSNR越高，测量误差越小。l l微弱信号检测(jin c)的目的就是使SNR1或SNR12. 2. 信噪改善比信噪改善比SNIRl lSNIR越高，测量系统检测(jin c)微弱信号的能力越强第26页/共42页第二十六页，共43页。微弱信号相关检测技术 信号与噪声有本质区别。信号是有规律的，能够重复，其后续信号与早先信号是有关联的，信号可以用一个确定的时间函数来描述; ;而噪声恰恰相反，不能用一个确定的时间函数来描述。因此，可利用信号

14、自身存在的规律( (即相关性）来寻找信号，也可以利用一个与被测信号规律性( (二者之间也有相关性）部分相同的已知信号来寻找被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关性原理的基本点。相关检测技术就是根据相关性原理，通过自相关或互相关运算，以最大限度地压缩带宽(di kun)(di kun)、抑制噪声，达到检测微弱信号的一种技术。第27页/共42页第二十七页，共43页。一、相关函数一、相关函数(hnsh)(hnsh)的定义与计算的定义与计算l l功率有限信号的自相关函数功率有限信号的自相关函数功率有限信号的自相关函数功率有限信号的自相关函数l l 两个功率有限信号的互相关函数两个功率有限信号的互相关

15、函数两个功率有限信号的互相关函数两个功率有限信号的互相关函数第28页/共42页第二十八页，共43页。二、自相关二、自相关(xinggun)(xinggun)检测检测l l基本原理基本原理l l利用信号周期性和噪声随机性的特点利用信号周期性和噪声随机性的特点(tdin)(tdin)，通过自，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的目的基本原理相关或互相关运算，达到去除噪声的目的基本原理l l是从强噪声中提取弱信号的重要手段。是从强噪声中提取弱信号的重要手段。l l实现方法实现方法实现方法实现方法l l混有噪声的信号混有噪声的信号混有噪声的信号混有噪声的信号(xnho) (xnho) (xnho)

16、(xnho) 送入相关接送入相关接送入相关接送入相关接收机收机收机收机l l两个通道（不延时和延时两个通道（不延时和延时两个通道（不延时和延时两个通道（不延时和延时）相乘器相乘器相乘器相乘器积分器积分器积分器积分器第29页/共42页第二十九页，共43页。自相关自相关(xinggun)检测理论推导检测理论推导l l信号信号 的自相关的自相关(xinggun)(xinggun)函数函数在一般情况下，噪声和信号在一般情况下，噪声和信号在一般情况下，噪声和信号在一般情况下，噪声和信号(xnho)(xnho)(xnho)(xnho)不相关，有不相关，有不相关，有不相关，有此外，若时延足够大，则此外，若时

17、延足够大，则此外，若时延足够大，则此外，若时延足够大，则所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数第30页/共42页第三十页，共43页。三、互相三、互相(h xing)(h xing)关检测关检测1、基本原理：若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发出一个(y )与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能力。第31页/共42页第三十一页，共43页。2 2、互相、互相(h xi

18、ng)(h xing)关检测实现方法关检测实现方法l l输入信号输入信号 与本地与本地(bnd)(bnd)信号信号 送入相关接收机的两个通道（输入信号不延时、本地送入相关接收机的两个通道（输入信号不延时、本地(bnd)(bnd)信号延时信号延时 ）相乘器相乘器积分器积分器第32页/共42页第三十二页，共43页。3 3、互相关检测理论、互相关检测理论(lln)(lln)推导推导l l若若若若 噪声与信号不相关噪声与信号不相关噪声与信号不相关噪声与信号不相关 ，则，则，则，则l l所以所以所以所以l l互相关接收机只有信号与本地信号的相关输出互相关接收机只有信号与本地信号的相关输出互相关接收机只有

19、信号与本地信号的相关输出互相关接收机只有信号与本地信号的相关输出(shch)(shch)，l l去掉了噪声项，因此提高了输出去掉了噪声项，因此提高了输出去掉了噪声项，因此提高了输出去掉了噪声项，因此提高了输出(shch)(shch)的信噪比的信噪比的信噪比的信噪比第33页/共42页第三十三页，共43页。四、互相关检测的应用锁定放大器利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，对检测信号和参考信号进行相关运算(yn sun)的电子设备。工作原理第34页/共42页第三十四页，共43页。锁定放大器理论推导设输入信号：其中， 为随机噪声， 为有用信号，A为其幅值， 角频率为，初相角为参考信号：其中B为幅值

20、， 是时间(shjin)位移， 为随机噪声，则两者的相关函数为： =由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声N( t)的频率不相关，且有用信号S ( t)与随机噪声 M（t）之间及噪声与噪声之间的频率也均相 互独立，所以它们的相关函数为零 即 = 0,从而令锁相放大器实现了从噪声中提取 有用信号的目的。 第35页/共42页第三十五页，共43页。锁定(su dn)放大器的特点 把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。交流输入，直流输出：输出电压正比于输入信号幅度和 被测信号与参考信号相位差的余弦。极高的放大倍数：若有前置放大

21、器，总增益可达1011。能检测极微弱的信号。灵敏度：满刻度灵敏度v、nv、pv信噪改善比：可达104噪声大于信号数千倍仍能正常检测，具有极强的抗干扰能力。第36页/共42页第三十六页，共43页。锁定放大器的构造基本构成：信号通道，参考通道，相关器 锁定放大电路(dinl)的工作原理信号信号(xnho)输入入前置前置(qin zh)放大及放大及滤波波处理理相敏相敏检波波低通低通滤波波参考信号参考信号输入通道入通道移相移相直流放大直流放大信号信号输出出第37页/共42页第三十七页，共43页。锁定放大器各部分功能说明锁定放大器各部分功能说明信号通道：将弱信号放大到足以推动相关器工作信号通道：将弱信号

22、放大到足以推动相关器工作前置放大器：要求低噪声、高增益，放大倍数一般为前置放大器：要求低噪声、高增益，放大倍数一般为10010010001000倍。倍。有源滤波与衰减：提高信号进入有源滤波与衰减：提高信号进入(jnr)(jnr)相关器前的信噪相关器前的信噪比；抑制和虑除部分干扰及噪声，扩大仪器动态范围。比；抑制和虑除部分干扰及噪声，扩大仪器动态范围。第38页/共42页第三十八页，共43页。l l参考信号通道：将输入的正弦波、方波、三角波、脉冲波等周期信号转化成与之同频的对称方波。l l过零触发(chf)电路：将各种波形的输入信号变换成同步脉冲。l l倍频电路：将触发(chf)器输出的脉冲信号倍

23、频。l l移相电路：改变参考通道输出方波的相位，要求在0360度范围内可调第39页/共42页第三十九页，共43页。l l相关器：完成被测信号与参考相关器：完成被测信号与参考(cnko)(cnko)信号的互相关信号的互相关运算。运算。l l乘法器：一般由相敏检波器组成乘法器：一般由相敏检波器组成l l积分器：由运放构成积分器：由运放构成第40页/共42页第四十页，共43页。 谢谢(xi xie) ！ 第41页/共42页第四十一页，共43页。感谢您的欣赏(xnshng)！第42页/共42页第四十二页，共43页。内容(nirng)总结1 跨导运算放大器简介。G是开环增益(S),称为跨导增益。 对于这个理想模型,两个电压输入之间开路,。M9和M10给输入管M3和M4提供4倍尾电流。微弱信号检测的目的就是使SNR1或SNR1。两个通道（不延时和延时）相乘器积分器。去掉了噪声项，因此提高了输出的信噪比。M（t）之间及噪声与噪声之间的频率也均相 互独立，所以它们的相关(xinggun)函数为零。感谢您的欣赏第四十三页，共43页。