模拟运算放大器.ppt

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1、第第九章九章 模拟模拟运算放大器运算放大器2024/9/41模拟模拟运算放大器的一些重要参数运算放大器的一些重要参数低频差模增益低频差模增益Ad单位增益带宽单位增益带宽最大功率带宽最大功率带宽输出电压输出电压(流流)摆幅摆幅线性线性噪声与失调噪声与失调转换速率转换速率SR共模抑制比共模抑制比CMRR电源抑制比电源抑制比PSRR运算放大器运算放大器(简称运放简称运放)是许多模拟系统和模数是许多模拟系统和模数混合信号系统中的一个完整部分。大量的具有混合信号系统中的一个完整部分。大量的具有不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。

2、伴随着每直流偏置的产生到高速放大或滤波。伴随着每一代一代CMOS工艺，由于电源电压和工艺，由于电源电压和MOS管沟管沟道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。如低电压工作中的全摆幅运放课题。如低电压工作中的全摆幅运放(Rail to Rail Amp)、多极运放的设计等等。多极运放的设计等等。理解和学理解和学好运放知识是为今后更好从事模拟电路设计的好运放知识是为今后更好从事模拟电路设计的基础，基础，也是对前面所学知识的一种运用与实践。也是对前面所学知识的一种运用与实践。2024/9/42运放的性能参数（运放的性能参数（1）1.1.差模开环增益差模开

3、环增益AdAd：运放工作于线性区时，其输出电：运放工作于线性区时，其输出电压与差模输入电压之比，常用分贝压与差模输入电压之比，常用分贝dB表示。表示。2.2.开环带宽开环带宽BWBW（小信号带宽）小信号带宽）：开环增益下降：开环增益下降3dB（或（或直流增益的直流增益的0.707倍）时所对应的信号频率。也称倍）时所对应的信号频率。也称f3dB带宽。带宽。3.3.全功率带宽全功率带宽BWPBWP（大信号带宽）大信号带宽）：运放跟随器连接时，：运放跟随器连接时，当输入正弦大信号后，在额定负载、一定的失真条当输入正弦大信号后，在额定负载、一定的失真条件下，运放输出电压幅度达到最大时所对应信号频件下，

4、运放输出电压幅度达到最大时所对应信号频率。率。2024/9/43运放的性能参数（运放的性能参数（3）4.4.输出峰输出峰-峰电压峰电压V Voppopp(输出摆幅输出摆幅)：指在特定负载条件下：指在特定负载条件下,运放运放能输出的最大电压幅度能输出的最大电压幅度,即输出摆幅。即输出摆幅。5.5.线性：线性：运放开环有很大的非线性，全差动运放可以减小非运放开环有很大的非线性，全差动运放可以减小非线性，负反馈也可以减小非线性，开环增益越大，负反馈线性，负反馈也可以减小非线性，开环增益越大，负反馈后带来的非线性就越小。后带来的非线性就越小。6.6.等效输入噪声电压：等效输入噪声电压：屏蔽良好、无信号

5、输入的集成运放，屏蔽良好、无信号输入的集成运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。普通运放在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。普通运放该值约为该值约为1020uV2024/9/44运放的性能参数（运放的性能参数（2）7.7.输入失调电压输入失调电压V Vosos：在运放零输入时为使输出为零需在输入在运放零输入时为使输出为零需在输入端所加的直流电压。通常以端所加的直流电压。通常以BJT作为差分输入级的运放作为差分输入级的运放Vos较小，约几毫伏，较小，约几毫伏，MOSFET输入级的运放（常规结构）输入级的运放（常规结构）Vos相对较大。相对较大。8.8.电源电压抑制比电源电压抑制比

6、PSRRPSRR：运放工作于线性区时，输入失调电运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压改变的变化率，即：压随电源电压改变的变化率，即：2024/9/45单级单级运算放大器运算放大器第四章中的差分对就是单级运算放大器，图第四章中的差分对就是单级运算放大器，图(a)、(b)分别是单端和双端分别是单端和双端输出形式，从前面学过的知识可知，两种结构的小信号增益相同，但因输出形式，从前面学过的知识可知，两种结构的小信号增益相同，但因(a)比比(b)多一个多一个“镜像镜像”极点，故带宽比对称输出结构要窄，由于极点，故带宽比对称输出结构要窄，由于(b)的静态工作点不能的静态工作点不能“目测目测”，故还需

7、共模反馈电路才能正常工作。，故还需共模反馈电路才能正常工作。2024/9/46单级单级放大器接成单位增益缓冲器放大器接成单位增益缓冲器这种接法也称为跟这种接法也称为跟随器连接方式随器连接方式2024/9/47“套筒式套筒式”共源共栅共源共栅(Cascode)运放运放2024/9/48“套筒式套筒式”运放跟随器连接时的输出摆运放跟随器连接时的输出摆幅幅M2饱和要求：饱和要求：M4饱和要求：饱和要求：输出电压范围输出电压范围注意：因注意：因Vb的限制，共模输入电压范围也很窄。的限制，共模输入电压范围也很窄。Vinmax V VX X+V+VTNTN=V=Vb b-V-VGS3(4)GS3(4)+V

8、+VTNTN2024/9/49利用自举电路扩展共模和输出电压范围利用自举电路扩展共模和输出电压范围bp虚框内电路构成自举电路：当虚框内电路构成自举电路：当VincM VP ，因因M9流过的电流恒定，流过的电流恒定，故故VbVGS9+VR+VP ，即即Vb跟随输跟随输入共模电压的升高而入共模电压的升高而“自举自举”提高，提高，从而扩展了共模输入电压范围，同时从而扩展了共模输入电压范围，同时也扩展了该电路接成跟随器时的输出也扩展了该电路接成跟随器时的输出电压范围。电压范围。注意，当电路不是接成跟注意，当电路不是接成跟随器时，其输出电压的摆幅依然决定随器时，其输出电压的摆幅依然决定于共模输入电压范围

9、！于共模输入电压范围！2024/9/410折叠折叠式共源共栅放大器（式共源共栅放大器（1）同型同型NMOS管构成的共管构成的共源共栅放大器源共栅放大器PNMOS管构成的共管构成的共源共栅放大器源共栅放大器两种结构两种结构有何区别？有何区别？2024/9/411套筒式与折叠式共源共栅运放的区别套筒式与折叠式共源共栅运放的区别1.套筒式运放的偏置电流同时供给输入对管和共栅管，折叠式运放的输套筒式运放的偏置电流同时供给输入对管和共栅管，折叠式运放的输入对管和共栅管需不同的偏置电流通常折叠式运放比套筒式运放要消入对管和共栅管需不同的偏置电流通常折叠式运放比套筒式运放要消耗更多的功耗。耗更多的功耗。2.

10、两种结构的共模输入电压范围有明显区别，对于套筒式运放而言，两种结构的共模输入电压范围有明显区别，对于套筒式运放而言，VincM Vb1-VGS3+VTN，对于折叠式而言，对于折叠式而言，VincM Vb1-VGS3+|VTP|，这这时折叠式可直接接成跟随器形式。时折叠式可直接接成跟随器形式。2024/9/412折叠折叠式共源共栅运放（式共源共栅运放（2）差差模模半半电电路路2024/9/413套筒式与折叠式运放差模增益的区别套筒式与折叠式运放差模增益的区别因因NMOS的跨导比的跨导比PMOS跨导大，且跨导大，且r01/r02r01,故套筒式运放的增益比折故套筒式运放的增益比折叠式运放的增益大叠

11、式运放的增益大2 3倍。倍。2024/9/414套筒式与折叠式运放折叠点的区别套筒式与折叠式运放折叠点的区别套筒式折叠点电容套筒式折叠点电容Ctot包括包括CGS3、CSB3、CDB1和和CGD1，折叠式中还要包括折叠式中还要包括 CDB5和和CGD5，且添加的这两个电容相当大，因为流过且添加的这两个电容相当大，因为流过M5的电流本身就较的电流本身就较大，为了减小过驱动电压以增加输出摆幅，其宽长比就更大，大，为了减小过驱动电压以增加输出摆幅，其宽长比就更大，结果该折叠结果该折叠点产生的极点比套筒式运放更靠近原点，带宽就比套筒式运放窄。点产生的极点比套筒式运放更靠近原点，带宽就比套筒式运放窄。2

12、024/9/415NMOS差分输入对管的折叠式运放差分输入对管的折叠式运放本电路因本电路因NMOS差分输入对管的跨导比差分输入对管的跨导比PMOS管大，故增益也比输入对管管大，故增益也比输入对管为为PMOS管时更大，但折叠点的寄生电容会更大管时更大，但折叠点的寄生电容会更大(相同电流相同过驱动电相同电流相同过驱动电压下压下PMOS的宽长比更大的宽长比更大)，带宽会比输入对管为带宽会比输入对管为PMOS管时更窄。管时更窄。2024/9/416单端单端输出套筒式运放输出套筒式运放增加输出摆幅增加输出摆幅原理同低压共源共栅电流镜原理同低压共源共栅电流镜2024/9/417三三层叠共源共栅套筒式运放层

13、叠共源共栅套筒式运放该结构虽然可获得高增益，但该结构虽然可获得高增益，但摆幅受限严重，实践中较少采摆幅受限严重，实践中较少采用；同时节点增多，由此产生用；同时节点增多，由此产生的极点也比两层叠的共源共栅的极点也比两层叠的共源共栅运放多，带宽也要窄一些。运放多，带宽也要窄一些。2024/9/418套筒式与折叠式运放的比较分析套筒式与折叠式运放的比较分析 折叠式运放与套筒式运放相比，输出摆幅相对较大折叠式运放与套筒式运放相比，输出摆幅相对较大(比套筒比套筒式运放少折叠一个式运放少折叠一个MOS管管)，这是以较大功耗、较小的增益、，这是以较大功耗、较小的增益、较小的带宽和较大的噪声获得的。尽管如此，

14、折叠式运放比较小的带宽和较大的噪声获得的。尽管如此，折叠式运放比套筒式运放运用更为广泛，因为它可以直接接成跟随器形式套筒式运放运用更为广泛，因为它可以直接接成跟随器形式(折叠式常用于单级运放，两极运放中，第一级还是常用套筒折叠式常用于单级运放，两极运放中，第一级还是常用套筒式运放式运放)，而套筒式运放不能接成跟随器形式，而套筒式运放不能接成跟随器形式(仅用作跟随器仅用作跟随器时，利用自举技术可以解决这一问题时，利用自举技术可以解决这一问题)。不论那种结构，双端。不论那种结构，双端输出比单端输出带宽更宽输出比单端输出带宽更宽(没有没有“镜像极点镜像极点”)。2024/9/419两两极运放极运放单

15、级放大器的增益一般最大可做到单级放大器的增益一般最大可做到70dB左右左右(在在L较小时较小时这个值很难达到这个值很难达到)，要获得更高增益时需两极或两极以上，要获得更高增益时需两极或两极以上(对于小对于小L值、低电源电压情况值、低电源电压情况)放大才能得到，在两极运放大才能得到，在两极运放中，第一极通常用来获得高增益，第二级用来获得大输放中，第一极通常用来获得高增益，第二级用来获得大输出摆幅。这样做的目的一是解决了高增益与输出摆幅的矛出摆幅。这样做的目的一是解决了高增益与输出摆幅的矛盾，另一方面也容易满足运放稳定性要求，同时可以减小盾，另一方面也容易满足运放稳定性要求，同时可以减小运放的等效

16、失调电压。运放的等效失调电压。2024/9/420双端输出的两极运放双端输出的两极运放1.增益为多少？增益为多少？2.那一个节点是第一那一个节点是第一主极点？第二主极主极点？第二主极点呢？点呢？3.输出摆幅？输出摆幅？4.CMR如何？如何？Common Mode Range2024/9/421单端单端输出的两极运放输出的两极运放与前面双端输出运放有那些区与前面双端输出运放有那些区别别(增益和带宽增益和带宽)？还需要共模还需要共模反馈电路吗？共模输入电压反馈电路吗？共模输入电压(CMR)范围如何？可以接成跟范围如何？可以接成跟随器连接方式吗？随器连接方式吗？2024/9/422带自举电路的单端输

17、出两极运放带自举电路的单端输出两极运放2024/9/423单端单端输出的两极运放输出的两极运放2024/9/424利用利用负反馈提高小信号输出电阻负反馈提高小信号输出电阻2024/9/425增益增益提高运放的原理提高运放的原理注意：注意：M3、I1构成的辅助放大器减小了输出电压摆幅。没有时构成的辅助放大器减小了输出电压摆幅。没有时V0min=Von2+Von1,V0min=Von2+VGS32024/9/426增益增益提高运放的实现提高运放的实现2024/9/427差分差分增益提高运放（增益提高运放（1）M5、M6、ISS2限制了输出限制了输出电压摆幅。大约比以前减电压摆幅。大约比以前减小了一

18、个阈值电压小了一个阈值电压VTN。Vd3min=Von3+VGS5+VonIss22024/9/428差分差分增益提高运放（增益提高运放（2）V0min与辅助放与辅助放大器无关大器无关!Vd3min=Von3+Von1+VonIss12024/9/429各种不同运放的性能比较各种不同运放的性能比较增益增益摆幅摆幅速度速度功耗功耗 噪声噪声套筒式共源共栅套筒式共源共栅中中中中高高低低低低折叠式共源共栅折叠式共源共栅中中中中高高中中中中两极运放两极运放高高高高低低中中低低增益提高运放增益提高运放高高中中中中高高中中2024/9/430共模共模反馈（反馈（CMFB）的概念（）的概念（1）静态工作点可

19、以静态工作点可以“目测目测”的简单差动对的简单差动对2024/9/431共模共模反馈的概念（反馈的概念（2）静态工作点不能静态工作点不能“目测目测”的简单差动对的简单差动对2024/9/432共模共模反馈的概念（反馈的概念（3）高增益恒流源负载差分放大器的简化模型高增益恒流源负载差分放大器的简化模型2024/9/433CMFB的原理结构图的原理结构图2024/9/434电阻电阻检测的检测的CMFB缺点是缺点是R1、R2需很大需很大(为什么？为什么？)，版图面积、，版图面积、寄生电容和噪声会很大。寄生电容和噪声会很大。请画出左图的差模请画出左图的差模半电路。半电路。2024/9/435采用采用源

20、跟随器的源跟随器的CMFB1.为保证大摆幅时为保证大摆幅时M7、M8不截至，不截至，I1、I2需较大值。需较大值。2.Vout1,min=VGS7+VonI1,大约增加了一个阈值电压大约增加了一个阈值电压VTN。2024/9/436测量测量和控制输出共模电平和控制输出共模电平2024/9/437控制控制输出共模电平的另一种方法输出共模电平的另一种方法2024/9/438利用利用深线性区工作的深线性区工作的MOS管的管的CMFB假定假定M7、M8工作于深线性区工作于深线性区2024/9/439采用采用线性器件的线性器件的CMFB2.M7、M8限制了输出电压摆幅限制了输出电压摆幅,要减小要减小M7

21、、M8两端的电压降，必须采用大两端的电压降，必须采用大 器件，会使器件，会使CP寄生电容明显增加。寄生电容明显增加。1.输出共模电平是器件参数的函数输出共模电平是器件参数的函数2024/9/440控制控制输出共模电平的另一种方法输出共模电平的另一种方法M7、M8的电压降不会影响输出电压摆幅，的电压降不会影响输出电压摆幅，但会减小输入共模电压范围。但会减小输入共模电压范围。输出共模电平依然是器件输出共模电平依然是器件参数的函数。参数的函数。若若I1跟踪跟踪ID9,(W/L)16=(W/L)7+(W/L)8,VoutcmVREF2024/9/441控制控制输出共模电平的改进电路输出共模电平的改进电

22、路M15、M9由于沟道调制效应由于沟道调制效应,ID15 ID9,Voutcm VREF2024/9/442为为抑制沟道长度效应的抑制沟道长度效应的CMFB减小减小M15、M9的沟道调制效应的沟道调制效应,使使ID15 ID9,Voutcm=VREF2024/9/443阻阻性性 CMFB这里这里RF为不影响差模增益需要很大的值吗为不影响差模增益需要很大的值吗?2024/9/444一种实用的共模反馈技术一种实用的共模反馈技术2024/9/445转换速率转换速率SR（Slew Rate）V02024/9/446简单简单 运放运放的小信号工作的小信号工作对于小的阶跃响应对于小的阶跃响应(M1、M2均

23、未截至均未截至)，运放表现出斜，运放表现出斜率正比与输入阶跃幅度的线性斜坡。率正比与输入阶跃幅度的线性斜坡。2024/9/447运放运放中的转换中的转换对于大的阶跃响应，运放表现出具对于大的阶跃响应，运放表现出具有不变斜率的线性斜坡。有不变斜率的线性斜坡。2024/9/448低低到高变化时的转换到高变化时的转换SR=V/S=I/C假定假定R1+R2很大很大2024/9/449高到高到低低变化时的转换变化时的转换2024/9/450套筒套筒式运放中的转换式运放中的转换2024/9/451折叠式运放中的转换（折叠式运放中的转换（1）若若IP ISS，转换速率与转换速率与IP无关无关2024/9/4

24、52折叠式运放中的转换（折叠式运放中的转换（2）2024/9/453由于由于转换后过驱动恢复造成的长稳定过程转换后过驱动恢复造成的长稳定过程若若ISS IP，VX会降到一个低值，会降到一个低值，M1和和ISS会进会进入线性，电路要重新稳定，必须要经历一个入线性，电路要重新稳定，必须要经历一个较长的摆幅，因此会减慢运放的稳定过程。较长的摆幅，因此会减慢运放的稳定过程。2024/9/454限制限制X点和点和Y点摆幅的箝位电路点摆幅的箝位电路|VX-VY|VTN 时时,M11、M12截至。截至。平衡态时平衡态时VX(Y)VVDD-VTN,M11、M12截至。截至。2024/9/455本章基本要求本章基本要求1.掌握掌握套筒式运放与折叠式运放的基本结构，和性能之间的差套筒式运放与折叠式运放的基本结构，和性能之间的差异。异。2.掌握掌握共模反馈的概念，和运放在什么情况下需要共模反馈电共模反馈的概念，和运放在什么情况下需要共模反馈电路。路。3.理解增益提高运放的原理及实现方法。理解增益提高运放的原理及实现方法。4.掌握掌握不同运放结构在增益、带宽、速度、功耗方面的特点。不同运放结构在增益、带宽、速度、功耗方面的特点。5.理解运放的转换、理解运放的转换、PSRR的意义。的意义。2024/9/456Vin1Vin22024/9/457