模擬運算放大器性能參數(shù)講解

1、模擬運算放大器性能參數(shù)講解 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 2模擬運算放大器的一些重要參數(shù)低頻差模增益Ad單位增益帶寬最大功率帶寬輸出電壓(流)擺幅線性噪聲與失調(diào)轉(zhuǎn)換速率SR共模抑制比CMRR電源抑制比PSRR運算放大器(簡稱運放)是許多模擬系統(tǒng)和模數(shù)混合信號系統(tǒng)中的一個完整部分。大量的具有不同復(fù)雜程度的運放被用來實現(xiàn)各種功能：從直流偏置的產(chǎn)生到高速放大或慮波。伴隨著每一代CMOS工藝，由于電源電壓和MOS管溝道長度的減小，為運放的設(shè)計不斷提出復(fù)雜的課題。如低電壓工作中的全擺幅運放(Rail to Rail Amp)、多極運放的設(shè)計等等。理解和學(xué)好運放知識是為今后更好從事模擬電

2、路設(shè)計的基礎(chǔ)，也是對前面所學(xué)知識的一種運用與實踐。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 3運放的性能參數(shù)（1）差模開環(huán)增益Ad：運放工作于線性區(qū)時，其輸出電壓與差模輸入電壓之比，常用分貝dB表示。開環(huán)帶寬BW（小信號帶寬）：開環(huán)增益下降3dB（或直流增益的倍）時所對應(yīng)的信號頻率。也稱f3dB帶寬。全功率帶寬BWP（大信號帶寬）：運放跟隨器連接時，當(dāng)輸入正弦大信號后，在額定負載、一定的失真條件下，運放輸出電壓幅度達到最大時所對應(yīng)信號頻率。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 4運放的性能參數(shù)（3）輸出峰-峰電壓Vopp(輸出擺幅) ：指在特定負載條件下, 運放能輸出的最大

3、電壓幅度, 即輸出擺幅。線性：運放開環(huán)有很大的非線性，全差動運放可以減小非線性，負反饋也可以減小非線性，開環(huán)增益越大，負反饋后帶來的非線性就越小。等效輸入噪聲電壓：屏蔽良好、無信號輸入的集成運放，在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無規(guī)則的干擾電壓。普通運放該值約為1020uV 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 5運放的性能參數(shù)（2）輸入失調(diào)電壓Vos：在運放零輸入時為使輸出為零需在輸入端所加的直流電壓。通常以BJT作為差分輸入級的運放Vos較小，約幾毫伏，MOSFET輸入級的運放（常規(guī)結(jié)構(gòu)）Vos相對較大。電源電壓抑制比PSRR：運放工作于線性區(qū)時，輸入失調(diào)電壓隨電源電壓改變的變化率，即：

4、 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 6單級運算放大器第四章中的差分對就是單級運算放大器，圖(a)、 (b)分別是單端和雙端輸出形式，從前面學(xué)過的知識可知，兩種結(jié)構(gòu)的小信號增益相同，但因 (a)比(b)多一個“鏡像”極點，故帶寬比對稱輸出結(jié)構(gòu)要窄，由于(b)的靜態(tài)工作點不能“目測”，故還需共模反饋電路才能正常工作。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 7單級放大器接成單位增益緩沖器這種接法也稱為跟隨器連接方式 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 8“套筒式”共源共柵(Cascode)運放 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 9“套筒式” 運放跟隨

5、器連接時的輸出擺幅M2飽和要求：M4飽和要求：輸出電壓范圍注意：因Vb的限制，共模輸入電壓范圍也很窄。VinmaxVX+VTN=Vb-VGS3(4) +VTN 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 10利用自舉電路擴展共模和輸出電壓范圍bp虛框內(nèi)電路構(gòu)成自舉電路：當(dāng)VincM VP ，因M9流過的電流恒定，故VbVGS9+VR+VP ，即Vb跟隨輸入共模電壓的升高而“自舉”提高，從而擴展了共模輸入電壓范圍，同時也擴展了該電路接成跟隨器時的輸出電壓范圍。注意，當(dāng)電路不是接成跟隨器時，其輸出電壓的擺幅依然決定于共模輸入電壓范圍！ 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 11折疊式

6、共源共柵放大器（1）同型NMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器PNMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器兩種結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？ 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 12折疊式共源共柵放大器（2）同型PMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器NPMOS管構(gòu)成的共源共柵放大器兩種結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？ 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 13套筒式與折疊式共源共柵運放的區(qū)別套筒式運放的偏置電流同時供給輸入對管和共柵管，折疊式運放的輸入對管和共柵管需不同的偏置電流通常折疊式運放比套筒式運放要消耗更多的功耗。兩種結(jié)構(gòu)的共模輸入電壓范圍有明顯區(qū)別，對于套筒式運放而言，VincMVb1-VGS3+VTN，對于折疊式而言，

7、VincM Vb1-VGS3+| VTP |，這時折疊式可直接接成跟隨器形式。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 14折疊式共源共柵運放（2）差模半電路 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 15套筒式與折疊式運放差模增益的區(qū)別因NMOS的跨導(dǎo)比PMOS跨導(dǎo)大，且r01/r02r01,故套筒式運放的增益比折疊式運放的增益大23倍。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 16套筒式與折疊式運放折疊點的區(qū)別套筒式折疊點電容Ctot包括CGS3、CSB3、CDB1和CGD1，折疊式中還要包括 CDB5和CGD5，且添加的這兩個電容相當(dāng)大，因為流過M5的電流本身就較大

8、，為了減小過驅(qū)動電壓以增加輸出擺幅，其寬長比就更大，結(jié)果該折疊點產(chǎn)生的極點比套筒式運放更靠近原點，帶寬就比套筒式運放窄。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 17NMOS差分輸入對管的折疊式運放本電路因NMOS差分輸入對管的跨導(dǎo)比PMOS管大，故增益也比輸入對管為PMOS管時更大，但折疊點的寄生電容會更大(相同電流相同過驅(qū)動電壓下PMOS的寬長比更大)，帶寬會比輸入對管為PMOS管時更窄。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 18單端輸出套筒式運放增加輸出擺幅原理同低壓共源共柵電流鏡 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 19三層疊共源共柵套筒式運放該結(jié)構(gòu)雖然

9、可獲得高增益，但擺幅受限嚴重，實踐中較少采用；同時節(jié)點增多，由此產(chǎn)生的極點也比兩層疊的共源共柵運放多，帶寬也要窄一些。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 20套筒式與折疊式運放的比較分析 折疊式運放與套筒式運放相比，輸出擺幅相對較大(比套筒式運放少折疊一個MOS管)，這是以較大功耗、較小的增益、較小的帶寬和較大的噪聲獲得的。盡管如此，折疊式運放比套筒式運放運用更為廣泛，因為它可以直接接成跟隨器形式(折疊式常用于單級運放，兩極運放中，第一級還是常用套筒式運放) ，而套筒式運放不能接成跟隨器形式(僅用作跟隨器時，利用自舉技術(shù)可以解決這一問題)。不論那種結(jié)構(gòu)，雙端輸出比單端輸出帶寬更寬

10、(沒有“鏡像極點”)。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 21兩極運放單級放大器的增益一般最大可做到70dB左右(在L較小時這個值很難達到)，要獲得更高增益時需兩極或兩極以上(對于小L值、低電源電壓情況)放大才能得到，在兩極運放中，第一極通常用來獲得高增益，第二級用來獲得大輸出擺幅。這樣做的目的一是解決了高增益與輸出擺幅的矛盾，另一方面也容易滿足運放穩(wěn)定性要求，同時可以減小運放的等效失調(diào)電壓。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 22雙端輸出的兩極運放1. 增益為多少？2. 那一個節(jié)點是第一主極點？第二主極點呢？3. 輸出擺幅？4. CMR如何？Common Mode

11、 Range 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 23單端輸出的兩極運放與前面雙端輸出運放有那些區(qū)別(增益和帶寬)？還需要共模反饋電路嗎？共模輸入電壓(CMR)范圍如何？可以接成跟隨器連接方式嗎？ 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 24帶自舉電路的單端輸出兩極運放 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 25單端輸出的兩極運放 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 26利用負反饋提高小信號輸出電阻 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 27增益提高運放的原理注意：M3、I1構(gòu)成的輔助放大器減小了輸出電壓擺幅。沒有時V0min= Von2 +

12、 Von1, V0min= Von2 + VGS3 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 28增益提高運放的實現(xiàn) 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 29差分增益提高運放（1）M5、M6、ISS2限制了輸出電壓擺幅。大約比以前減小了一個閾值電壓VTN。Vd3min=Von3+VGS5+VonIss2 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 30差分增益提高運放（2）V0min與輔助放大器無關(guān)!Vd3min=Von3+Von1+VonIss1 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 31各種不同運放的性能比較增益擺幅速度功耗噪聲套筒式共源共柵中中高低低折疊式

13、共源共柵中中高中中兩極運放高高低中低增益提高運放高中中高中 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 32共模反饋（ CMFB ）的概念（1）靜態(tài)工作點可以“目測”的簡單差動對 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 33共模反饋的概念（2）靜態(tài)工作點不能“目測”的簡單差動對 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 34共模反饋的概念（3）高增益恒流源負載差分放大器的簡化模型 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 35CMFB的原理結(jié)構(gòu)圖 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 36電阻檢測的CMFB缺點是R1、 R2需很大(為什么？) ，版圖面積、寄生

14、電容和噪聲會很大。請畫出左圖的差模半電路。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 37采用源跟隨器的CMFB為保證大擺幅時M7、M8不截至，I1、I2需較大值。V0min=VGS7+VonI1,大約增加了一個閾值電壓VTN。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 38測量和控制輸出共模電平 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 39控制輸出共模電平的另一種方法 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 40利用深線性區(qū)工作的MOS管的CMFB假定M7、M8工作于深線性區(qū) 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 41采用線性器件的CMFBM7、M8限制

15、了輸出電壓擺幅,要減小M7、M8兩端的電壓降，必須采用大器件，會使CP寄生電容明顯增加。輸出共模電平是器件參數(shù)的函數(shù) 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 42控制輸出共模電平的另一種方法M7、M8的電壓降不會影響輸出電壓擺幅，但會減小輸入共模電壓范圍。輸出共模電平依然是器件參數(shù)的函數(shù)。若I1跟蹤ID9, (W/L)16= (W/L)7+(W/L)8 , VoutcmVREF 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 43控制輸出共模電平的改進電路M15、M9由于溝道調(diào)制效應(yīng) , ID15 ID9, Voutcm VREF 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 44為

16、抑制溝道長度效應(yīng)的CMFB減小M15、M9的溝道調(diào)制效應(yīng), 使ID15 ID9, Voutcm = VREF 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 45阻性 CMFB這里RF為不影響差模增益需要很大的值嗎? 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 46一種實用的共模反饋技術(shù) 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 47轉(zhuǎn)換速率SR（Slew Rate）V0 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 48簡單 運放的小信號工作對于小的階躍響應(yīng)(M1、M2均未截至)，運放表現(xiàn)出斜率正比與輸入階躍幅度的線性斜坡。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 49運

17、放中的轉(zhuǎn)換對于大的階躍響應(yīng)，運放表現(xiàn)出具有不變斜率的線性斜坡。 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 50低到高變化時的轉(zhuǎn)換SR = V/S = I/C假定R1+R2很大 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 51高到低變化時的轉(zhuǎn)換 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 52套筒式運放中的轉(zhuǎn)換 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 53折疊式運放中的轉(zhuǎn)換（1）若IPISS，轉(zhuǎn)換速率與IP無關(guān) 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 54折疊式運放中的轉(zhuǎn)換（2） 重郵光電工程學(xué)院 模擬運算放大器Ch. 9 # 55由于轉(zhuǎn)換后過驅(qū)動恢復(fù)造成的長穩(wěn)定過程若ISS IP，VX會降到一個低值，M1和ISS會進入線性，電路要重新穩(wěn)定，必須要