Transcript 第9章基本运算放大器设计主讲教师

第9章
基本运算放大器设计
主讲教师：邹志革
课程章节安排
第1章
第2章
第3章
第4章
第5章
第6章
第7章
第8章
第9章
绪论
放大器基础
MOS器件特性
单管放大器
差分放大器
电流源和电流镜
放大器的频率响应
模拟集成电路仿真
基本运算放大器设计
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课程内容
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
模拟集成电路设计流程概述
运算放大器的电路构成
运算放大器的设计指标
运算放大器的稳定性和频率补偿（该部分自学）
二级运算放大器的设计过程
仿真分析
性能提高途径
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9.1
模拟集成电路设计流程概述
问题报告书
（设计需求）
规格定义
选择电路结构
选择Foundry
与设计指标比较
重新设计
重新设计
具体电路设计
与设计指标比较
电路仿真
版图设计
版图验证
寄生参数抽取
后仿真
生成GDSII文件
提交Foundry
流片
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9.2
运算放大器的电路构成
 运算放大器（Operational Amplifier）简称运放（op-amp），是许多
模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分，也是模拟电路设计中用
途最广、最重要的部分
Vip
Vin
＋
op-amp
－
Vo
Vip
＋
op-amp
Vop
Vin
－
Von
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运放主要有三个特点
 第一是增益高，通常都在40dB以上。
 第二是输入阻抗很大，CMOS运放在低频下的输入阻抗可以达到数兆
欧姆。
 第三是输出阻抗小，一般在几十欧姆以下
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运算放大器构成
 差分输入级，它对运放的噪声，线性，失调等性能有很大影响。
 增益放大级，它可以包括多个级联放大电路，主要提供足够高的增益。
 输出级，它要有较低的输出阻抗，能起到对后级电路的驱动作用。
运算放大器
Vip
Vin
+
差分输
入级
-
+
+
-
-
增益放
大级
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输出级
Vo
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9.3
运算放大器的设计指标
 第一步是选择或构造运算放大器的基本结构，描述所有晶体管互连的草
图。多数情况下，这个结构在整个设计中不会改变，但有时，某些选好
的设计特性必须通过改变结构来实现。
 一旦结构确定，设计者根据功耗、摆率等要求确定直流偏置电流，设置
管子尺寸，并设计补偿电路。这个步骤是设计工作的主要内容。
 为满足运算放大器的交流和直流要求，所有管子都应有合适的尺寸。
 在手工计算基础上，计算机电路仿真可帮助设计者完成此阶段的工作。
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9.3.1
边界条件
 开始着手实际设计之前，设计者需要十分明确的了解性能要求和边界
条件
1．工艺规范（
，
2．电源电压范围 K 
，
COX
等等）
VTH
3．电源电流范围
4．工作温度范围
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9.3.2
增益
vo
Av 
vip  vin
Av 
v op  v on
vip  vin
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9.3.3
小信号带宽
20log|Av|
0
f －3dB
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fu
f(log)
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9.3.4
上升时间、下降时间、建立时间
V/Vm
输入信号
1
0
t
V/Vm
输出信号
1
90％
10％
0
t
上升时间
下降时间
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9.3.5
摆率（Slew Rate，SR）
V/Vm
输入阶跃信号
t
V/Vm
输出信号
dV
dt
t
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9.3.6
其它一些参数
 输入共模范围ICMR
 共模抑制比CMRR
 电源电压抑制比PSRR
 输出电压摆幅
 输出电阻
 失调
 噪声
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9.3.7
一个典型的运放参数
边界条件
要求
边界条件
取决于具体工艺
工艺规范
电源电压
2.5V 10%
电源电流
100uA
工作温度范围
0-70℃
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特性指标
特性指标
要求
增益
60dB
增益带宽
5MHz
建立时间
1 us
摆率
5V/us
|ICMR|
1.5V
CMRR
60dB
PSRR
60dB
输出摆幅
1.5V
输出电阻
驱动电容负载
失调
10mV
Hz
100nV/
噪声
（1kHz时）
5000 （最小沟道长度）2
版图面积
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9.4
运算放大器的稳定性和频率补偿
 该部分自学，此处略去
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9.5
9.5.1
二级运算放大器的设计过程
二级运放设计步骤
在设计过程中可能会发现，用所选择的结构达到某些指标是困难的
，甚至是不可能的。此时设计者必须改进结构或查找资料以寻求能够达
到要求的方法。
对非常关键的设计，手工计算可以在整个任务的20%的时间内完成
大约80%的工作。剩下的20%的工作需要80%的时间完成。
尽管有时手工计算会因近似处理而带来误导，但这个步骤却是必需
的。它可以使设计者对设计参数变化的灵敏性有一个感性认识。除此之
外，没有其他方法能做到这一点。
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9.5.2
二级运放设计的理论依据
VDD
M4
M3
M6
CC
VOUT
CL
VINN
M1
M2
K i  ( Cox )i  ( 
 ox
tox
i  Si  Ki
VINP
VBIAS
Si  Wi / Li  W L i
M5
M7
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)i
基本计算依据1
摆率：
I5
SR 
Cc
第一级增益：
 g m1
 2 g m1
Av1 

g ds 2  g ds 4 I 5 ( 2   4 )
第二级增益：
 g m6
 g m6
Av 2 

g ds 6  g ds7 I 6 ( 6   7 )
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基本计算依据2
增益带宽：
输出极点：
g m1
GB 
Cc
 g m6
p2 
CL
RHP零点：
g m6
z1 
Cc
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基本计算依据3
正ICMR：
负ICMR：
Vin (max)  VDD 
I5
3
 VTH 3  VTH 1
I5
Vin (min)  VSS 
1
 VDS 5 ( Sat )  VTH 1
其中， VDS 5 ( Sat ) 表示M5管饱和时的源漏电压。
饱和电压：
VDSi sat  
2 I DSi
i
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9.5.3
一个二级运放的设计实例
 作为习题课重点讲解
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The End ！
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