电子电路大全(PDF格式)-第74部分
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根据上表的分类，两个主要的运算放大器结构如下：
图 11…7 标准两级 CMOS 运算放大器拆分成电压－电流级和电流－电压级
图 11…8 分级的折叠共源共栅运算放大器
11。2。2 典型的无缓冲 CMOS 运算放大器指标特性
开始着手实际设计之前，所有对设计给出导向的要求和边界条件都必须明确。下面列
出必须考虑的问题。
边界条件：
V ' COX
①工艺规范（ T 、K 、 等等）
②电源电压范围
③电源电流范围
④工作温度范围
112
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要求：
①增益
②增益带宽
③建立时间
④摆率
⑤输入共模范围ICMR
⑥共模抑制比CMRR
⑦电源电压抑制比PSRR
⑧输出电压摆幅
⑨输出电阻
⑩失调
①①噪声
①②版图面积
表 11…2 典型的无缓冲 CMOS 运算放大器特性
一般来说，设计一个CMOS运算放大器，有以下几个步骤：
（1）确定合适的结构
仔细研究过技术指标后，确定所需要的结构类型。比如，如果要求非常小的噪声和失
调，那么这个结构必须在输入级提供高增益。如果需要低功耗，那么甲乙类输出级也许是
必要的。这又决定了必须使用的输入级类型。很多情况下，必须构造一定的结构以满足特
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定的应用。
（2）确定满足指标所需要的补偿类型
有很多方法可以对运算放大器做出补偿。某些独特的方式适用于某些结构或指标。例
如，必须驱动非常大的容性负载的运算放大器应该在输出端进行补偿。如果是这样，就要
求确定所需输入和输出级的类型。在设计过程的第 1 步和第 2 步之间，反复是必然的。
（3）设计管子尺寸以满足直流、交流和瞬态性能
根据近似公式从手工计算开始，补偿元器件的尺寸也在这一过程中确定。每个器件的
尺寸手工计算后，用仿真工具进行电路优化设计。
在设计过程中可能会发现，用选定的结构达到某些指标是很困难的，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。查找资料替代了重新建
立一个新的结构。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。有时手工计算会因近似计算而受误导。
尽管如此，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。没有其它方法可以使设计者了解各种设计参数是如何影响性能的。计算机
模拟的反复在这方面给设计者的感觉并不明显。
模拟设计的有效规则是：（模拟器的使用）×常识＝（常数）
（4）当电路满足技术指标后，进行版图设计。并对对版图待寄生参数的后仿真，使其
达到性能指标要求。
（5）如果版图满足了要求性能指标要求，就进行样品制作，对样品进行测试和评估，
使其达到性能指标要求
（6）只要样品满足性能指标要求，就可以大量生产，设计就结束了。如果没有，就要
分析原因，从制作，从设计多方面分析，直到样品满足性能指标要求，设计才算完成。
对于LSI中的 CMOS运算放大器来说，由于它通常工作在闭环情况，因此最值得关注的
两项指标是它的支流增益和单位增益带宽。可以通过增大有源负载来提高运算放大器的增
益。也可以利用单管增益自举来改善增益，还可以通过单级放大器自举来提高SOC中的 CMOS
运算放大器的增益。
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第 12 章 基本两级运算放大器分析与设计
12。1 电路的设计目标和结构
12。1。1 设计目标
表 12。1 所要设计的运放的性能指标
参数 单位 指标要求
供给电压 V ±2。5
直流增益 dB 74
GB MHz 5
相位裕度 度 60
输出摆幅 V ±2
共模输入范围 V …1 to 2V
压摆率 V/μs 10
功耗 mW 2
输出信号 —— 单端输出
负载电容 pF 10
12。1。2 采用的结构和小信号模型
图 12…1 具有 N 沟道输入对的无缓冲两级运算放大器电路
整个电路是一个两级放大运放大器。第一级是由M3 和M4 构成的电流镜作为负载，由M1
和M2 构成的差动作为输入级，M5 提供偏置电流的差动放大器构成。第二级是由M6 和M7 构
成的电流源负载共源放大器构成的输出级。其中M7 提供偏置电流。
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图 12…2 小信号模型
假设gmI = gm1 = gm2， RI = rds2｜｜rds4， CI = C1，并且gmII = gm6， RII = rds6｜｜rds7，
CII = C2 = CL，有
…gmIVin = ＇GI ＋ s（CI ＋ Cc）＇V2 ＇sCc＇Vout
0 = ＇gmII sCc＇V2 ＋ ＇GII ＋ sCII ＋ sCc＇Vout
求解，得
Vout（s） gmI（gmII sCc）
=
Vin（s） GIGII＋s ＇GII（CI＋CII）＋GI（CII＋Cc）＋gmIICc＇＋s2＇CICII＋CcCI＋CcCII＇
Ao＇1 s （Cc/gmII）＇
=
1＋s ＇RI（CI＋CII）＋RII（C2＋Cc）＋gmIIR1RIICc＇＋s2＇RIRII（CICII＋CcCI＋CcCII）＇
这儿 Ao = gmIgmIIRIRII
经分析，得到下列重要关系式：
I5
摆率 SR = Cc （假设I7 》》I5 and CL 》 Cc）
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gm1
第一级增益 Av1 = （gds2 ＋ gds4） =…2gm1/＇I5（λ2 ＋ λ4）＇
第二级增益 Av2 =…gm6/（gds6 ＋ gds7） =…gm6/＇I6（λ6 ＋ λ7）＇
增益带宽 GB =gm1/Cc
输出极点 p2 =…gm6/CL
RHP 零点 z1 =gm6/Cc
如果所有根≥ 10GB ，那么 60°相位裕度要求 gm6 = 2。2gm2（CL/Cc）。
I5
最大共模输入电压ICMR Vin（max） = VDD β3 …｜VT03｜（max） ＋ VT1（min））
I5
最小共模输入电压 ICMR Vin（min） = VSS ＋ β1 ＋ VT1（max） ＋ VDS5（sat）
2I
DS
饱和电压VDS（sat） = β
（在上面的关系中，设所有的晶体管都工作在饱和区）
12。2 具体的设计过程
12。2。1 电路设计特点
图 12…3 设计指导图
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12。2。2 晶体管的设计指导
①现在开始设计，首先选择在整个电路中使用的器件栅长。这个值将确定沟道长度调
制参数λ的值，这是计算放大器增益时所必需的参数。因为管子模型随沟道长度变化很大，
在设计中所用的器件的栅长选择可以使模拟更精确。
②管子栅长选好后，可以确定补偿电容Cc的最小值。如果设置输出节点p2 高于 2。2GB
可以获得 60o的相位裕量（假设RHP零点z1 高于 10GB以上），这样的极、零点位置导致对Cc
的最小值有下面的要求：
Cc 》 （2。2/10）CL
I I
③下面在满足摆率要求的基础上确定尾电流 5 ，算出 5 。由两个值中的最大值确定“尾
电流”（I5）的最小值。
I
5 =SR（Cc） （12…1）
V ＋ V
I 10 DD SS
5 2T
S
④现在可以确定M3 的宽长比，根据正的输入共模范围要求来确定。下面通过设计公式
（ ）
W/L
（12…2）计算 3 值：
I 5
'
（ ） ）＇ （最大）－｜ ｜ （最大）＋ （最小）＇2
W/L 3 = （K N VDD Vin VT 03 VT 1 ≥1 （12…2）
⑤验证Cgs3 和Cgs4 引起的极、零点 （=0。67W3L3Cox）不是主极、零点，设p3 大于 10GB：
g m3
》10GB
2C
gs 3
⑥输入管的跨导要求可以由Cc和GB的知识来确定。跨导gm1 可以用下面的公式计算：
g m1
=GB。 Cc （12…3）
（ ）
宽长比 W/L 1 直接由 g m1 得到如下：
2
g m1
'
（ ） （ ）（ ）
W/L 1 ＝ K 2 I 5 （12…4）
⑦现在有足够的信息来计算M5 管的饱和电压。用负的输入共模范围要求来计算VDS5，
由式（12…5）计算出值。
118
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I 5 12
（饱和） = （最小） …2（ ） （最大） ≥100mV
VDS 5 Vin VSS VT 1
