第9章基本运算放大器设计主讲教师
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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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2
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)
11
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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