运算放大器及频率补偿(2008)

©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿从设计角度透视：从设计角度透视：模拟集成电路模拟集成电路运算放大器及频率补偿彭勇©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿目的及要求目的及要求‰突出运算放大器的分析与设计以及频率补偿‰理解各种CMOS运放的分析与设计方法以及不同的补偿技术ƒ运放的概念及主要参数ƒ运放的分析方法及性能参数的折衷考虑ƒ运放的频率补偿技术‰掌握稳定性判据和相位裕度的概念©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿内容内容‰运算放大器的性能参数‰单级运放‰二级运放‰运放的转换速率、共模反馈及增益提升技术‰运放的频率补偿‰高性能运算放大器‰运放的设计步骤©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿概述概述运放一般是“高增益的差分放大器”若运放的差模增益无限大，则，输入端口有：理想运算放大器：是一个电压控制的电压源，具有无限大的增益，输入阻抗无限大，输出阻抗为零。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰运算放大器的性能参数①增益：一般指运放的开环直流（低频）增益。在DC条件下，在输入加一小信号，得到输出电压。高增益：)10020(10~105dBdBAd−=dBAd10080~−②共模增益：在输入加共模小信号，得到输出电压。dBACM4020~−③共模抑制比：CMRRdBCMRR8040~−共模增益越小越好，共模抑制比越大越好。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿④小信号频率特性：有二种表示方法：单位增益带宽和-3dB带宽。运放的差模和共模信号的输入输出关系可表示为：对差模输入：©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿⑤大信号频率特性：在瞬态输入大信号工作时，表征运放的速度。一般也有二种方法：转换速率或压摆率（slewrate）和建立时间（settletime)转换速率：输入阶跃信号时，输出电压的昀大变化率。同时，正向和反向的slewrate是不同的。建立时间：输入阶跃信号时，输出的稳定时间。和负载电容等参数有关。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿⑦输出电压摆幅：没有产生失真（在一定失真范围内）的输出电压的昀大范围。⑧线性度：在正弦输入时，测试总谐波失真THD。将除基频外的所有谐波能量之和用基频能量归一化。60dB%1.0,80dB%0.01−→−→=基频能量总谐波能量THD⑨电源抑制比：表征电源噪声对输出的影响。越大越好，是频率的函数。正、负电源的电源抑制比不同。⑥共模输入范围：当输入共模电压变化时，运放的差模增益没有明显改变的输入共模电压范围。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿其他非理想特性：⑩噪声与失调：确定了能被合理处理的昀小信号电平。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿例：©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰运算放大器的典型应用ƒ同相放大（缓冲放大）：输入和输出幅度rail-to-rail。若A是放大器的开环增益。outoutinVAVZZZV=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−212闭环增益：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛+≈+++=++=AZZAZZZAZZZAZZZAVVinoutβ111121221221212反馈系数：212ZZZ+=β环路增益：Aβ211,1ZZAAV+=⇒βAβ1是增益相对误差，,1↓↑⇒AAβ（很稳定）（由误差确定增益A）Z2AZ1VinVout©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿ƒ反相放大ƒ跨导放大器OTAƒ二级运放输入共模是在一个固定的电平。例如在图中,运放输入电平是地。输入的范围可以较小，但输出的幅度很大，rail-to-rail。∞→A12ZZVVAinoutV−==Z2AZ1VinVoutC只是驱动负载电容，高增益来自高输出阻抗，常应用在SC电路中。高增益+大摆幅。由于有第二级，第一级的输出摆幅可以很小，第一级的负载是第二级的输入阻抗，通常是电容，故第一级可以用OTA。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰运算放大器的一般结构输入级是差分输入，可以提供双端-单端转换。中间级和输入级结合提供总增益、电平位移、电流等。输出缓冲提供对低负载电阻的驱动©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿单级运放单级运放单级运放的增益：RCoutmoRgA=ooutrR对共源放大等故单级运放的增益小于本征增益。3010~−=omorgA()dB3020−Aoωμω1f有一个极点：LLCR11=ωLmCg=μω结论：只有单级共源共栅放大器才能达到高增益。共源级©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿共源共栅级‹增益估计：1122omomorgrgA=22omrg可使增益提高20－40倍。利用M2的增益提升技术可使增益80dB。‹带宽估计：引入了一个新极点x，但ωx可设计在高频因此主极点没有改变LeffLoLmCVCICgββωμ===21,↑↑⇒oIμω（决定偏置电流）↑↑↑⇒↑μμωω,,DDeffVV→输出摆幅低。X©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰“套筒式”（伸缩式）共源共栅运放例：设计指标：差分输出摆幅＝3VmwpowerAVVVDD10,2000,3===22/30,/60VACVACoxpoxnμμμμ==)5.0(2.0,1.011mlVVpnμλλ===−−0,7.0===γVVVthpthn¾根据power确定电流：功耗和偏置电流有关，而偏置电流与带宽及转换速率有关。一般，PowerIo→→μωmAIIVmwttotal33.3310=⇒×=AIMMmAImbmbbbmμ330,32,1219=⇒=和剩余分配给mAIIDD5.121==©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿¾根据输出摆幅决定每个管子的Vdsat（Veff）。X、Y的摆幅为1.5vVVVDD5.15.1=−VVVVVVddddd5.175319=++++221effVIβ=Q↑↑effVI,M9的电流昀大，VVdsat5.09=∴pnpnββμμ,Q3,17,5dsatdsatVV∴VVVdsatdsat3.075==VVVdsatdsat2.031==©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿¾根据Veff和I确定MOS管的宽长比。221effVIβ=Q400,1111,125098541=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−LWLWLWμμμ5.0/555,5.085=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=−LWL¾求增益()()[]20001416//7551331≈=oomoommVrrgrrggA结论：必须使增益上升。©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿¾提升增益的方法（单级放大器的结构一样）。ILWIgm∝=β2ILIro∝=λ1IWLrgAomV/∝=∴方法1：减小↓↑⇒μω,VDAI方法2：电流不变，增加L、W例：增加负载：μμμμ111115.055585→=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−LW4000,1.02.0=→=VpAλ()↓↑⇒↓⇒↓⇒⇒−−98585/dsatdsatVVVLWA可适当降低Vdsat9©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿¾套筒式运放的缺点。②不能采用输出和输入短接的方法，形成单位增益缓冲放大器。如图，M2、M4在饱和区对M4：对M2：4THboutVVV−≥2THoutxVVV−≥2424THGSbTHxoutTHbVVVVVVVV+−=+≤≤−∴输出和输入的共模范围相差的比较大。①由于（套筒式），使输出摆幅较小。83−M©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰“折叠式”共源共栅运放特点：输入和输出电平相近，便于级联或采用单位增益缓冲器结构。折叠和套筒式结构的性能比较：1)折叠式多一路电流，功耗大2)在偏置电流和管子尺寸相同的情况下，增益下降2－3倍。因为M5流过二路电流，↓↓⇒↓⇒=outoooRrrIr52//1λ3)M5的寄生电容增加，折叠点对应的极点更靠近原点。4)输出摆幅更大，噪声更大。M5M6XY©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿二级运放二级运放)//(4,32,12,1oomrrg第一级提供高增益；第二级提供大摆幅。与级联共源共栅运放相比，二级结构把增益与摆幅的要求分开处理，以满足高增益大摆幅的要求。如图二级运放，第一级采用CMOS差分放大器，以提供高增益；第二级是简单的共源级的典型结构，以提供昀大的输出摆幅。第一级增益为总增益为)//(766oomrrg第二级增益为输出摆幅为)//(4,32,12,1oomrrg)//(766oomrrg76ODODDDVVV−−（比共源共栅级摆幅大）)//(4,32,12,1oomrrg©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿运放的转换速率运放的转换速率‰概念如图RC电路，是线性电路sRCsCRsCVVinout+=+=1111对输入阶跃信号，()[]τ/exp1tVVoout−−=RC=τ⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=ττtVdtdVooutexp斜率和Vo成正比VoVo©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿当输入幅度上升到某一特定值后，输入幅度上升不能使输出曲线的斜率上升，输出斜率达到昀大值。则，运放经历了转换（进入非线性），昀大输出斜率表示转换速率。转换速率表示运放能提供的对负载电容充放电的瞬时电流是有限的。如是线性运放，对输入阶跃信号：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−−+=ββARCtAAVVoutLoout1/exp11斜率和Vo成正比（线性稳定）212RRR+=βVo©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰例：求CMOS差分运放转换速率。¾输入低到高的转换VVinΔ=M2的栅极电压下降，VgImDΔ↓=22M1的栅极电压上升，VgImDΔ↑=24得到对电容的充电电流VgImΔ=当输入电压继续增加，使M1抽掉Iss全部电流，M2关断，电路进入非线性，此时，运放经历输入低到高的转换。转换速率=IssVgIm=Δ=LssCI¾输入高到低的转换LssCI转换速率=同样，（线性）©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿例：求套筒式差分运放转换速率。ssII=maxQLssCI/转换速率为=©DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3nd运算放大器及频率补偿‰例：求折叠式差分运放转换速率。¾若ssPIILssCI/转