ch09运算放大器概述

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1、ch09ch09运算放大器概述运算放大器概述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)是许多模拟系是许多模拟系统和模数混合信号系统中的一个完整统和模数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：从直流偏置放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或虑波。伴随着每

2、的产生到高速放大或虑波。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管沟道长度的减小，为运放的设管沟道长度的减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。如低电压工计不断提出复杂的课题。如低电压工作中的全摆幅运放作中的全摆幅运放(Rail to Rail Amp)、多极运放的设计等等。多极运放的设计等等。理解和学好理解和学好运放知识是为今后更好从事模拟电路运放知识是为今后更好从事模拟电路设计的基础，设计的基础，也是对前面所学知识的也是对前面所学知识的一种运用与实践。一种运用与实践。重邮光电工程学院重邮光电工程学院2运放的性能参数（运放的性能参数（1）1.差模开环增益差模开环增

3、益Ad：运放工作于线性区时，其：运放工作于线性区时，其输出电压与差模输入电压之比，常用分贝输出电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BW（小信号带宽）：开环增益下小信号带宽）：开环增益下降降3dB（或直流增益的（或直流增益的0.707倍）时所对应的倍）时所对应的信号频率。也称信号频率。也称f3dB带宽。带宽。3.全功率带宽全功率带宽BWP（大信号带宽）：运放跟随大信号带宽）：运放跟随器连接时，当输入正弦大信号后，在额定负器连接时，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率。达

4、到最大时所对应信号频率。重邮光电工程学院重邮光电工程学院3运放的性能参数（运放的性能参数（3）4.输出峰输出峰-峰电压峰电压Vopp(输出摆幅输出摆幅)：指在特定负载条：指在特定负载条件下件下,运放能输出的最大电压幅度运放能输出的最大电压幅度,即输出摆幅。即输出摆幅。5.线性：运放开环有很大的非线性，全差动运放可以线性：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，负反馈后带来的非线性就越小。越大，负反馈后带来的非线性就越小。6.等效输入噪声电压：屏蔽良好、无信号输入的集成等效输入噪声电压：屏蔽良好、无信号输

5、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。普通运放该值约为压。普通运放该值约为1020uV 重邮光电工程学院重邮光电工程学院4运放的性能参数（运放的性能参数（2）7.输入失调电压输入失调电压Vos：在运放零输入时为使输出为零：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。通常以需在输入端所加的直流电压。通常以BJT作为差分作为差分输入级的运放输入级的运放Vos较小，约几毫伏，较小，约几毫伏，MOSFET输入输入级的运放（常规结构）级的运放（常规结构）Vos相对较大。相对较大。8.电源电压抑制比电源电压抑制比PSRR：运放工作于线性

6、区时，输：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：入失调电压随电源电压改变的变化率，即：重邮光电工程学院重邮光电工程学院5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，极点，故带宽比对称输出结构要窄，由于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”，故还需共模反馈电路才

7、能正常工作。，故还需共模反馈电路才能正常工作。重邮光电工程学院重邮光电工程学院6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这种接法也称为跟随器连接方式跟随器连接方式 重邮光电工程学院重邮光电工程学院7“套筒式套筒式”共源共栅共源共栅(Cascode)运放运放 重邮光电工程学院重邮光电工程学院8“套筒式套筒式”运放跟随器连接时的输出摆幅运放跟随器连接时的输出摆幅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，共模输入电压范围的限制，共模输入电压范围也很窄。也很窄。Vinmax V VX X+V+VTNTN=V=Vb

8、b-V-VGS3(4)GS3(4)+V+VTNTN 重邮光电工程学院重邮光电工程学院9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流过的电流过的电流恒定，故流恒定，故VbVGS9+VR+VP ，即即Vb跟随输入共模电压的升跟随输入共模电压的升高而高而“自举自举”提高，从而扩展提高，从而扩展了共模输入电压范围，同时也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扩展了该电路接成跟随器时的输出电压范围。输出电压范围。注意，当电路注意，当电路不是接成跟随器时，其输出电不是接成跟随器时，其

9、输出电压的摆幅依然决定于共模输入压的摆幅依然决定于共模输入电压范围！电压范围！重邮光电工程学院重邮光电工程学院10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管构成管构成的共源共栅放大器的共源共栅放大器PNMOS管构成管构成的共源共栅放大器的共源共栅放大器两种结构两种结构有何区别？有何区别？重邮光电工程学院重邮光电工程学院11折叠折叠式共源共栅放大器（式共源共栅放大器（2）同型同型PMOS管构成管构成的共源共栅放大器的共源共栅放大器NPMOS管构成管构成的共源共栅放大器的共源共栅放大器两种结构两种结构有何区别？有何区别？重邮光电工程学院重邮光电工程学院12套筒式与折叠式共源

10、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耗更多的功耗。运放比套筒式运放要消耗更多的功耗。2.两种结构的共模输入电压范围有明显区别，对于套筒式运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，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|，这时折叠式可直接接成跟随器形式。这时折叠式可直接接

11、成跟随器形式。重邮光电工程学院重邮光电工程学院13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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院14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,故套筒式运故套筒式运放的增益比折叠式运放的增益大放的增益比折叠式运放的增益大2 3倍。倍。重邮光电工程学院重邮光电工程学院15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，折叠式折叠式中还要包括中还要包

12、括 CDB5和和CGD5，且添加的这两个电容相当大，因为且添加的这两个电容相当大，因为流过流过M5的电流本身就较大，为了减小过驱动电压以增加输出的电流本身就较大，为了减小过驱动电压以增加输出摆幅，其宽长比就更大，结果该折叠点产生的极点比套筒式摆幅，其宽长比就更大，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。运放更靠近原点，带宽就比套筒式运放窄。重邮光电工程学院重邮光电工程学院16NMOS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，故增益管大，故增益也比输入对管为也比输入对管为PMOS管时更

13、大，但折叠点的寄生电容会更管时更大，但折叠点的寄生电容会更大大(相同电流相同过驱动电压下相同电流相同过驱动电压下PMOS的宽长比更大的宽长比更大)，带宽，带宽会比输入对管为会比输入对管为PMOS管时更窄。管时更窄。重邮光电工程学院重邮光电工程学院17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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院18三三层叠共源共栅套筒式运放层叠共源共栅套筒式运放该结构虽然可获得高增益，该结构虽然可获得高增益，但摆幅受限严重，实践中但摆幅受限严重，实践中较少采用；同时节点增多，较少采用；同时节点增多，由此产生的极点也

14、比两层由此产生的极点也比两层叠的共源共栅运放多，带叠的共源共栅运放多，带宽也要窄一些。宽也要窄一些。重邮光电工程学院重邮光电工程学院19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，输出摆幅相对较折叠式运放与套筒式运放相比，输出摆幅相对较大大(比套筒式运放少折叠一个比套筒式运放少折叠一个MOS管管)，这是以较大，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。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，折叠式运放比套筒式运放运用更为广泛，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因为它可以直接接成跟

15、随器形式(折叠式常用于单级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运放，两极运放中，第一级还是常用套筒式运放)，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(仅用作跟随器时，仅用作跟随器时，利用自举技术可以解决这一问题利用自举技术可以解决这一问题)。不论那种结构，。不论那种结构，双端输出比单端输出带宽更宽双端输出比单端输出带宽更宽(没有没有“镜像极点镜像极点”)。重邮光电工程学院重邮光电工程学院20两两极运放极运放单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较小时这个值很难达到较小时这个值很难达到)，要获得更高增益时需两

16、，要获得更高增益时需两极或两极以上极或两极以上(对于小对于小L值、低电源电压情况值、低电源电压情况)放放大才能得到，在两极运放中，第一极通常用来获大才能得到，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出摆幅。这样做得高增益，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盾，另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失调电压。小运放的等效失调电压。重邮光电工程学院重邮光电工程学院21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

17、第那一个节点是第一主极点？第二一主极点？第二主极点呢？主极点呢？3.输出摆幅？输出摆幅？4.CMR如何？如何？Common Mode Range 重邮光电工程学院重邮光电工程学院22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与前面双端输出运放有那些区别些区别(增益和带宽增益和带宽)？还还需要共模反馈电路吗？共需要共模反馈电路吗？共模输入电压模输入电压(CMR)范围如范围如何？可以接成跟随器连接何？可以接成跟随器连接方式吗？方式吗？重邮光电工程学院重邮光电工程学院23带自举电路的单端输出两极运放带自举电路的单端输出两极运放 重邮光电工程学院重邮光电工程学院24单端单端输出的两极运

18、放输出的两极运放 重邮光电工程学院重邮光电工程学院25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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院26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。构成的辅助放大器减小了输出电压摆幅。没有时没有时V0min=Von2+Von1,V0min=Von2+VGS3 重邮光电工程学院重邮光电工程学院27增益增益提高运放的实现提高运放的实现 重邮光电工程学院重邮光电工程学院28差分差分增益提高运放（增益提高运放（1）M5、M6、ISS2限制限制了输出电压摆幅。了输出电压摆幅。大约比以前减小了大约比以前减小了一个

19、阈值电压一个阈值电压VTN。Vd3min=Von3+VGS5+VonIss2 重邮光电工程学院重邮光电工程学院29差分差分增益提高运放（增益提高运放（2）V0min与辅助与辅助放大器无关放大器无关!Vd3min=Von3+Von1+VonIss1 重邮光电工程学院重邮光电工程学院30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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院31共模共模反馈（反

20、馈（CMFB）的概念（）的概念（1）静态工作点可以静态工作点可以“目测目测”的简单差动的简单差动对对 重邮光电工程学院重邮光电工程学院32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”的简单差动的简单差动对对 重邮光电工程学院重邮光电工程学院33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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院34CMFB的原理结构图的原理结构图 重邮光电工程学院重邮光电工程学院35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，版图面积、寄生电容

21、和噪声会很大。面积、寄生电容和噪声会很大。请画出左图的请画出左图的差模半电路。差模半电路。重邮光电工程学院重邮光电工程学院36采用采用源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.V0min=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。重邮光电工程学院重邮光电工程学院37测量测量和控制输出共模电平和控制输出共模电平 重邮光电工程学院重邮光电工程学院38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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院39利用利用深线性区工作的深线性区工作的MOS管的管

22、的CMFB假定假定M7、M8工作于深线性区工作于深线性区 重邮光电工程学院重邮光电工程学院40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,要要减小减小M7、M8两端的电压降，必两端的电压降，必须采用大须采用大 器件，会使器件，会使CP寄生电寄生电容明显增加。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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院41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。摆幅，但会减小输入共模电压范围。输出共模电

23、平依然是输出共模电平依然是器件参数的函数。器件参数的函数。若若I1跟踪跟踪ID9,(W/L)16=(W/L)7+(W/L)8,VoutcmVREF 重邮光电工程学院重邮光电工程学院42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路M15、M9由于沟道调制效应由于沟道调制效应,ID15 ID9,Voutcm VREF 重邮光电工程学院重邮光电工程学院43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=VREF 重邮光电工程学院重邮光电工程学院44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

24、为不影响差模增益需要很大的值吗?重邮光电工程学院重邮光电工程学院45一种实用的共模反馈技术一种实用的共模反馈技术 重邮光电工程学院重邮光电工程学院46转换速率转换速率SR（Slew Rate）V0 重邮光电工程学院重邮光电工程学院47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均未截至均未截至)，运放表，运放表现出斜率正比与输入阶跃幅度的线性斜坡。现出斜率正比与输入阶跃幅度的线性斜坡。重邮光电工程学院重邮光电工程学院48运放运放中的转换中的转换对于大的阶跃响应，运放表现对于大的阶跃响应，运放表现出具有不变斜率的线性斜坡。出具有不变斜率的线性斜坡。重邮光

25、电工程学院重邮光电工程学院49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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院50高到高到低低变化时的转换变化时的转换 重邮光电工程学院重邮光电工程学院51套筒套筒式运放中的转换式运放中的转换 重邮光电工程学院重邮光电工程学院52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 重邮光电工程学院重邮光电工程学院53折叠式运放中的转换（折叠式运放中的转换（2）重邮光电工程学院重邮光电工程学院54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，

26、VX会降到一个低值，会降到一个低值，M1和和ISS会进入线性，电路要重新稳定，必会进入线性，电路要重新稳定，必须要经历一个较长的摆幅，因此会减须要经历一个较长的摆幅，因此会减慢运放的稳定过程。慢运放的稳定过程。重邮光电工程学院重邮光电工程学院55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。重邮光电工程学院重邮光电工程学院56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套筒式运放与折叠式运放的基本结构和性能之间的差异。间的差异。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共模反馈的概念和运放在什么情况下需要共模反馈电路。反馈电路。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、功耗方面不同运放结构在增益、带宽、速度、功耗方面的特点。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。重邮光电工程学院重邮光电工程学院57Vin1Vin2 重邮光电工程学院重邮光电工程学院58结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！59