上次课存在问题

1. 上次课存在问题

2. 简单的电流镜im1和im2

3. 共源共栅电流镜 im1和im2

4. 简单电流镜 im2-im1

5. 共源共栅电流镜im2-im1

6. 第九章运算放大器 对前面所学知识的运用与实践 为今后进行模拟电路设计的基础和演练

7. 本次课的主要内容 • 掌握运算放大器的性能指标 • 掌握一级运放（掌握套筒式和折叠式共源共栅电路结构的设计方法 • 了解两级运放的结构

8. 常用的运算放大器性能参数表

9. 1.输入特性参数 输入失调电压VOS 输入失调电压温度系数dVOS/dT 输入失调电流IOS 输入失调电流的温度系数dIOS/dT 输入偏置电流IB 差模输入阻抗Zid 共模输入阻抗Zic 最大共模输入电压Vic 最大差模输入电压Vid 输入噪声电压viN（或电流iiN） 电源抑制PSRR

10. 输入失调电压VOS 当运算放大器输出直流电压Vo＝0时，在运算放大器的输入端之间所加的直流补偿电压。

11. 输入失调电压VOS的温度系数

12. 2 转移特性参数 • 开环直流（低频）电压增益Avd • 共模抑制比CMRR

13. 某学生实验做的运放（参考LM324)

14. 运放的幅频和相频曲线仿真结果 87.5db 相位裕量约为：180 - 65.1=114.9度。

15. CMRR的仿真方法介绍

16. 3.输出特性参数 最大输出电流IOm 输出短路电流IoS 开环输出阻抗Zo 输出压摆 线性与谐波失真

17. Rail-to-rail

18. 4.频率特性参数 输出电压转换速率Sr 建立时间ts 全功率带宽fp f3dB带宽 单位增益带宽fu 大信号带宽

19. 运放的幅频和相频曲线仿真结果 84.5db fu5M f3db

20. 分析运算放大器的一般步骤 • 一般运算放大器有以下几个部分构成：输入级、增益级、输出级等构成，下图示了一般运放的主要构成及其各部分的主要作用。运算放大器又可分为单级运放、二级运放、多级运放等。

21. 概述－分析运算放大器的一般步骤 • 分析运算放大器的一般步骤为： • 划分并分析所有的偏置电路（即偏置电压与偏置电流）；划分并分析所有的保护电路，并可先忽略它们的影响。 • 计算所有的工作电流与电压。 • 根据输入信号定义电路模块：放大器、缓冲器、电平移位电路以及输出驱动电路等。 • 计算运算放大器的低频增益。 • 分析其补偿电路。 • 计算高频响应。 • 采用SPICE进行仿真以得到其性能参数。

22. 单级运放

23. 全差分单级运算放大器 • 全差分单级运算放大器是指其输入与输出都采用了差分方式，这里主要介绍基本差分放大器、伸缩式级联放大器以及折叠式级联放大器。 1　基本的全差分单级运算放大器 • 单级全差分运算放大器的基本 电路如右图所示。 • 图中M1、M2、M3、M4及电流 源IS构成了一个差分放大器， 而M5及电流源IR则为差分放大 器的负载管M3、M4提供偏置。

24. 全差分单级运算放大器 • 该运放的开环差分增益为： 式中gm1,3是指M1或M3的跨导，ro1,2、ro3,4分别为M1或M2的输出电阻、M3或M4的输出电阻。 • 开环共模增益为： 式中η1,2＝gmb1,2/gm1,2。 • 共模抑制比：

25. 伸缩式共源共栅运算放大器 • 伸缩式共源共栅运算放 大器的结构如第五章中 介绍的伸缩式共源共栅 放大级基本一致。 • 这种运算放大器的一个 明显缺点是很难以输入 输出短接方式实现单位 增益缓冲器。

26. 折叠式级联运算放大器 • 在上图中，如果输入管采用相反极性的MOS管来构成级联运算放大器，称之为折叠运算放大器，如下图所示。

27. 折叠式级联运算放大器 • 上图所示的折叠式运算放大器电路，必须保证所有MOS管都工作于饱和区以确保高增益。 • 开环最低输出电压为：Vo,min=Vdsat3+Vdsat5； • 最高输出电压为Vo,max= VDD－(|Vdsat7|＋|Vdsat9|)； • 即开环输出电压摆幅为：VDD－(Vdsat3＋Vdsat5＋|Vdsat7|＋|Vdsat9|)。 • 其开环输入压摆比伸缩式级联运算放大器要大得多，其最小输入电压可为0V。 • 缺点：保证较小寄生电容时，要求M5与M6的过驱动电压增大以提供大电流。

28. 折叠式级联运算放大器 • 伸缩式级联运算放大器与折叠式级联放大器存在两个重要差别： • 在伸缩式级联运放中一个偏置电流IS供给输入三极管及级联器件，而折叠式级联运放中输入对管需要一个额外偏置电流，且有 IS1＝IS/2＋ID3，因此折叠级联结构一般有较高功耗。 • 在伸缩式级联运放中，其输入共模电平不能大于Vb1－VGS3＋Vth1，而在折叠式级联运放中，不能小于Vb1－VGS3＋|VthP|，因此后一种电路可以设计成单位缓冲器，并可忽略摆幅的影响。

29. 折叠式级联运算放大器 • 采用半电路概念来求解折叠级联运放的小信号电压增益，如下图所示电路，其增益可写成：　　　。

30. 折叠式级联运算放大器 • Gm的求解 • 由于从M3的源极看进去的阻抗(gm3+gmb3)-1||ro3低于ro1||ro5，因此半边电路的输出短路电流近似等于M1的漏电流，根据求解Gm的方法，可以知道Gm≈gm1。 • Ro的求解 • 为了计算Ro，根据求等效电阻的方法，采用如图所示的等效电路，则有： • 即有：

31. 折叠式级联运算放大器 • 小信号电压增益 • 根据求解电压增益的方法，即可求出电路的小信号电压增益为： • 对于相类似的器件尺寸与偏置电流，PMOS输入差分对与NMOS差分对相比具有较小的跨导。并且，ro1与ro5并联，特别是由于M5流过输入器件及级联支路的电流，减小了输出阻抗，故折叠式级联运算放大器的增益常比一个类似的伸缩式级联的增益小2至3倍。

32. 折叠式级联运算放大器 • 用NMOS管作为折叠级联运放的输入对管，如图所示。

33. 折叠式级联运算放大器 • 由于NMOS器件具有较大的迁移率，所以该电路的电压增益较大，但这是以降低在折叠点的极点为代价。实际上，对于类似的偏置电流，后一张图中的M5-M6可能比前一张图中的宽度大几倍。 • 折叠级联运放的总的压摆略高于伸缩式结构。这个优点是以高功耗、小电压增益、低极点频率等为代价的。但是由于折叠级联运放的输入与输出可以短接且输入共模电平易于选择，所以应用非常广。 • 折叠级联运放的一个重要特性是控制输入共模电平接近电源供给的一端电压：用NMOS输入对时可使输入共模电平为VDD，而使用PMOS输入对的相似结构可使输入共模电平为零。

34. 单端输出运算放大器

35. 简单的运算放大器--CMOS差分放大器 • 开环输出电阻为： • 式中roN与roP分别为NMOS管漏源之间的电阻。

36. 简单的运算放大器--CMOS差分放大器 • 开环电压增益为： • 上式中gmN为输入差分对管NMOS的跨导，接成闭环应用时，其反馈系数为－1，因此根据负反馈特性可以求出闭环输出电阻为： • 由于ro较大，故其闭环输出电阻近似为1/gmN，与开环输出电阻无关。

37. 简单的运算放大器--CMOS差分放大器 • 该电路的输出压摆为： VDD－　　　　　 　　　　　　 • 上式中的VdsatN与VdsatP分别指NMOS与PMOS的饱和漏极电压。 • 电路主极点位于输出节点，且其时间常数为：roCL。 • 其特点是：开环电压增益可达到100左右，而功耗为mW级，单位增益频率约为兆赫量级；且电路驱动负载能力较小。

38. 共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器 • 如图所示，与全差分伸缩式级联放大器不同之处是其负载为共源共栅电流镜结构。

39. 共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器 • 该电路的开环输出电阻： • 开环电压增益： • 闭环输出电阻为： roc=1/gmN • 开环的输出压摆：

40. 共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器 • 闭环输出压摆：把输入信号端M2的栅极与输出节点相连构成单位增益反馈应用时，在正常工作时，要保证所有MOS管工作于饱和态。 • M4饱和的条件是：Vo≥Vb1－Vth4 • M2饱和的条件是：Vo－Vth2≤VX，即Vo≤Vth2＋VX＝Vb1－VGS4＋Vth2，所以有： • 故输出电压摆幅为Vth2－(VGS4+Vth4)，小于M2的阈值电压，因此用作缓冲器时其输出压摆太小，所以不实用。 • 另外，这种电路的输出摆幅为全差分相应电路的输出摆幅的一半，并且该电路的反馈系统的速度较低。

41. 高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器 • 为了克服上述结构输出摆幅小的缺点，对此结构进行了改进，如图所示。

42. 高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器 • 上图所示的电路结构的一个最大特点就是其输出摆幅较大，因此称为高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器。 • 这是由于其利用高摆幅的电流镜作为负载以提高放大器的开环电压摆幅。 • 在这种结构中，M7与M8被偏置在线性区的边缘。这种结构与前一种结构一样，不适用于单位增益缓冲器。

43. 高摆幅折叠式级联运算放大器 • 如图所示的折叠式级联运放可以克服伸缩式级联运放较小的输出摆幅和难以用作单位缓冲电路的缺点。（并仍将输入电压转变成电流）

44. 高摆幅折叠式级联运算放大器 • 该电路的开环输出电压的最小值为：VS＋Vdsat4，最大值则为VDD－（|Vdsat6|＋|Vdsat8|)，所以开环输出两峰值之间的摆幅为： • 上式的值比伸缩式级联运放的输出摆幅大了一个电流源的过驱动电压。 • 该电路的小信号电压增益也可采半电路概念来求解，并可表示为Av=GmRo，同理必须先求出等效跨导与等效输出阻抗。

45. 共模反馈

46. 引言 • 全差分运算放大器具有大输出摆幅、无镜像极点等优点，因此可以得到高的闭环速度。 • 但其共模电平必须小心定义以使之能正常工作。一般都采用所谓的“共模反馈”(CMFB)的方法。 • 在高增益放大器中，其输出共模电平对器件特性与失配非常敏感，不能通过“目测”确定，而且不能通过差分反馈来达到稳定。 • 因此，必须采用一共模反馈网络来检测输出端的共模电平，有效调节放大器的偏置电流。

47. 引言 • 引入共模反馈的两个目的： • 为输出节点提供一个稳定的共模电平。 • 减小共模增益，以提高共模抑制比。 • 共模反馈设计时应考虑： • 只为共模信号创建一个负反馈回路，而对于差分信号，即共模反馈不能影响电路的性能。 • 尽量减小共模反馈电路的功耗与面积。 • 在单端输出的运放中，不需要CMFB，但可以利用CMFB来提高共模抑制比；而在全差分运放中则必须有CMFB。

48. 引言 • CMFB主要有二部分组成： • 共模电平检测电路； • 参考电源比较电路。 • 工作机理是： • 检测出共模信号：　　　　　。 • 与一个参考电压进行比较：　　　。 • 将其误差校正电平回送到放大器的偏置电路。 • 避免共模信号注入到不需校正VoC的放大器的节点。

49. 引言 • 如果检测的输出信号是电流信号，则共模反馈结构如下图所示，即必须采用一个电流模式的电平检测电路，以及共模检测电流放大器（比较器）。

50. 共模电平的检测方法－电阻分压法 • 在上图所示结构中，输出共模电平VoC为( Vo1+ Vo2)/2， 因此最直接的方法 是采用如右图所示 的电阻分压器。