模拟集成电路课件 第6章CMOS运算放大器.pdf

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1、第6章CMOS运算放大器曲秀杰1.CMOS运算放大器设计2.CMOS运算放大器的补偿3.两级运算放大器设计4.两级运算放大器的电源抑制比5.共源共栅运算放大器1.CMOS运算放大器设计什么是运算放大器要求足够大的增益差分输入加负反馈具有稳定的频率特性高输入阻抗低输出阻抗高速/高频运算放大器是由闭环负反馈网络得到准确的信号如果Av（S）F(s)远大于1可见，增益与Av无关，由F(s)确定理想运算放大器符号•如果运算放大器的差分输入的增益足够大，输入端口为虚拟端口•虚拟端口的电压为零和电

2、流为零即运算放大器作为电压放大器的一般结构同相电压放大反相电压放大运算放大器的简单分析通过R2的负反馈使得运算放大器特性CMOS运算放大器线性稳定特性CMOS运算放大器线性和动态特性稳定特性差模和共模频率响应其他特性电源抑制比PSSR输入共模电压范围压摆率建立时间运算放大器分类两级CMOS运算放大器折叠共源共栅运算放大器这种结构改进了两级运算放大器的输入共模范围和电源抑制比第6章CMOS运算放大器1.CMOS运算放大器设计2.CMOS运算放大器的补偿3.两级运算放大器设计4.两级运算放大器

3、的电源抑制比5.共源共栅运算放大器2.CMOS运算放大器的补偿补偿目的补偿的目的是放大器加上负反馈网络，系统能够稳定工作系统稳定性的判断环路增益为1时，反馈信号的相位变化小于180度或当反馈信号的相位变化达到180度时，环路增益小于1采用的方法通过分析系统开环传递函数的S域零极点分布和构造波特图来判断闭环系统的稳定性在S域中，一个系统的开环传递函数如果在右半平面存在极点，则系统是不稳定的在波特图中，增益曲线经过一个极点将按-20dB/十倍程的斜率下降，经过一个零点将按+20dB/十倍程

4、的斜率上升相位曲线在0.1ωp（其中ωp表示在左半平面极点的频率）以-45º/十倍程的斜率开始下降，在10ωp以-90º完成相位变化。在经过一个零点时，如果该零点是左半平面零点，在0.1ωp（其中ωp表示在左半平面零点的频率）以+45º/十倍程的斜率开始上升，在10ωp以+90º完成相位变化。而经过右半平面的零点时，相位曲线按-45º/十倍程的斜率下降，在10ωp以-90º完成相位变化。相位裕度补偿方式米勒补偿前馈补偿负反馈系统A(S)：放大器增益F(S)：从运算放大器输出到输入的外部反

5、馈的传递函数这个系统的环路增益可以定义为最重要的是反馈到运算放大器输入端的信号幅度和相位不应该使信号在环路中产生震荡稳定条件其中ω被定义为0另一个表示此条件的便利方法其中ω0dB被定义为如果满足这些条件，则称反馈系统是稳定的波特图•稳定的条件是A(jw)F(jw)曲线通过0dB点应先于Arg[--A(jw)F(jw)]到达00点•相位裕量为什么我们要获得好的稳定度•一个好的响应是快速达到最终值•因此我们可以看到相位裕量越大，引起的输出信号振铃越小•相位裕量至少要45度，最好60度未加补偿的两

6、级运算放大器的频率响应假设C1引入的极点比C2、C3大得多•假设F(S)=1（这种是稳定性最糟的情况）•相位裕量少于45度•因此运算放大器必须补偿才能用于闭环结构米勒补偿米勒补偿两级运算放大器的频率响应的简单模型假设一般的两级频率响应分析其中根据节点方程其中两级放大米勒补偿的结果总结右半平面的零点左半平面极点下图标明了极点在复频面上从补偿前的位置移向补偿后的位置补偿前后【F(S)=1】的渐进幅频特性和相频特性三个根的来源三个根对两级运放的动态性能非常重要1.米勒极点p1完成了需要的补偿2.第二个重

7、要的根p2这个根的模量至少等于GB，它与放大器输出电容有关，称为输出极点。主要取决与负载电容3.第三个根是RHP零点这是一个极不希望出现的根，因为它在增大幅度的同时使环路相移更负，使运放稳定性更差零点由两条路径产生。在某一复频率上，如果通过这两条路径的信号大小相等、方向相反就会抵消，产生零点。零点用这两条路径的信号重合可得P1频响与电流镜有关的极点p3的影响零点的存在趋向于抵消极点的作用两级放大器稳定条件的总结给定增益带宽要求相位裕度45度ω=GB假设零点大于10GB，如果要求相位裕度60度由零点

8、大于10GB控制右半平面零点右半平面零点的问题限制GB解决的方法•抵消前馈路径，在补偿电容的反馈路径中放一个单位增益缓冲器用缓冲器通过米勒补偿电容抵消前馈路径采用前面所说的近似技术得到p1和p2如果考虑输出电阻不能被忽略的情况结果增加了极点和LHP零点，尽管LHP零点可以被用于补偿，但附加的极点是这种方法不如下面的方法使用调零电阻控制RHP零点根据节点方程假设Rz小于RI或RII，极点相隔较远容易看出，可以通过调整Rz的值，使得零点频率远在带宽之外把输出级拆分成两个部分当设分子为