模拟集成电路课件 第7章高性能CMOS运算放大器.pdf

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1、第7章高性能CMOS运算放大器曲秀杰1.缓冲运算放大器2.高速/高频CMOS运算放大器3.差分输出运算放大器4.低功耗运算放大器5.低电压运算放大器什么是高性能运算放大器需要改进的性能更小输出电阻更大的输出信号摆幅更高的转换速率更大的增益带宽更小的噪声更低的功耗更小的输入失调电压这些性能不可能都满足目标根据放大器的性能要求选定结构1.缓冲运算放大器目的简单放大器实现低输出电阻的方法举例内容开环MOSFET缓冲运算放大器闭环MOSFET缓冲运算放大器BJT缓冲运算放大器什么是缓冲运算放大器无缓冲运算放大器能驱动一个中等的负载电容，但不能驱动低电阻负载。本节中我们将

2、研究改进驱动大负载电容和低负载电阻能力的方法。缓冲运算放大器输出低的输出电阻，典型值10欧到1000欧要求低的输出电阻大的输出信号幅度高频低的失真源级跟随器缓冲级Class-A跟随器Push-Pull跟随器带缓冲级的两级放大器推挽源级跟随器放大器缓冲放大器的补偿输出缓冲运算放大器的常用结构在没有补偿的情况下，运放开环增益///PPP假设123/P3将随CL、RL的增加而减小米勒补偿应用在第二级和第三级，产生如图中方块所示的新极点。这种方法的潜在问题P2和P3的根轨迹在Cc增加时弯向jw轴，导致较小的裕量如果米勒补偿应用在第二级附近，那么将产生如图所示的闭环根，不同的是P

3、3极点没有向负实轴的左侧移动选择哪种方法取决于所接的负载和相位裕量和两级运放的做法相同，可采用调零电阻来控制零点米勒补偿应用在第二级附近闭环MOSFET缓冲运算放大器为了得到更低的输出电阻，必须采用并联负反馈•输出电阻近似等于输出电阻rds1//rds2除以环路增益•误差放大器的设计必须使M1或M2导通以避免交调失真已达到最大效率BJT缓冲运算放大器在标准的CMOS工艺中，衬底双极性晶体管是可以利用的，可以用来降低运放的输出电阻由于BJT的跨导比中等宽长比的MOS管大得多，因此输出电阻将更低。•输出电阻包含BJT基极到交流地的任何电阻除以1F•使用跟随器的原因是，如果BJT直接耦

4、合到M6和M7的漏极，将使整个运算放大器的增益减小第7章高性能CMOS运算放大器曲秀杰1.缓冲运算放大器2.高速/高频CMOS运算放大器3.差分输出运算放大器4.低功耗运算放大器5.低电压运算放大器2.高速/高频CMOS运算放大器目标研究具有大增益带宽的运算放大器内容扩展传统运算放大器的增益带宽电流反馈的电压运算放大器GB对运算放大器频率响应的影响GB单位增益带宽表示闭环电压增益和闭环-3dB频率之间的平衡限制什么决定GB的值C是主极点电容为了达到上述效果，假设所有其他高阶极点的幅度大于GB。如果不满足这个条件，则运放的稳定性会变差。GB的限制当设计的GB值较高时，高阶极点就会

5、产生相应的限制。这两级运放的极点和零点意味着为了实现更高的频率必须增大高阶极点用于高频的两级运放的设计既可以采用调零电阻补偿法来消除主极点高端最近的一个极点。为了满足60度相位裕量，次极点至少高于2.2GB，这就定义了GB。所有的高阶极点大于10GB如何提高两级运算放大器的GB用于高频的两级运放的设计既可以采用调零电阻补偿法来消除主极点高端最近的一个极点。调整主极点使得2.2GB=次极点举例结果为求P4，必须求出放大器第一级的输出电容CI考虑寄生电容的影响，取CI为300fF使用调零零点Z1抵消P2使P4成为下一个最小极点为了满足相位裕度60度，下一个极点大于10GBGB由关系式决

6、定假如gm是常数注意，当Cc接近Cgd6时，这个方法不起作用了在这个例子中，增益带宽由5MHz扩展到52.5MHz。这个方法成功的前提是我们知道所需的电容的值，并且没有其他小于10GB的根。我们还假设没有复数根电流反馈的电压运算放大器电流反馈的优点•用它来做电压放大器时可增加带宽•在低的电源电压下，具有更宽的信号动态范围。什么电流放大器？采用电流反馈的电流放大器的反向电压放大器闭环电流增益可见如果GB是电流放大器的单位增益带宽，GB是常数，可通过增大R2/R1，增大电压放大器的增益带宽GB第7章高性能CMOS运算放大器曲秀杰1.缓冲运算放大器2.高速/高频CMOS运算放大器3.差分输出运算放

7、大器4.低功耗运算放大器5.低电压运算放大器3.差分输出运算放大器目标差分输出运算放大器的设计和分析共模输出电压稳定性内容全差分的优点和缺点共模输出电压的稳定技术为什么要差分输出抵消共模信号的干扰，减小时钟馈通的影响增加信号摆幅抑制偶次谐波。因为差分信号具有奇对称，偶次谐波在奇对称疲惫配内被抵消。如果共模信号不为零，则差模信号就会受到限制，为了使用差模信号，必须提供一些共模稳定方法。差分输入、