CMOS恒跨导运算放大器设计PPT.ppt

CMOS恒跨导运算放大器设计; 1 跨导运算放大器简介 2 CMOS恒跨导运算放大器设计;1 跨导运算放大器简介 （1）概述 跨导运算放大器(Operatinoal Transconductance Amplifier,简称OAT)是一种电压输入、电流输出的电子放大器,是一种电压控制的电流源。跨导放大器的增益是输出电流与输入电压的比值,量纲为电导,单位为西门子(S)。由于跨导放大器内部只有电压一电流变换级和电流传输级,没有电压增益级,因此没有大摆幅电压信号和米勒电容增倍效应,高频性能好,大信号下的转换速率也高,同时电路结构简单,电源电压和功耗都比较低。 ; （2）跨导运算放大器模型 ● OTA的符号如图所示,它有两个输入端,一个输出端,一个控制端。符号上的“+”号表示同相输入端,“一”表示反相输入端, 是输出电流, 是偏置电流,即外部控制电流。 ● OTA的传输特性用下列方程式描述： 其中 输出电流(A)； 是差模输入电压(V)； G是开环增益(S),称为跨导增益。 ● 在小信号下,跨导增益G是偏置电流 的线性函数,其关系式为： h称为跨导增益因子, 称是热电压,在室温条件下 (T=300K)下, =26mv,可以计算出h=19.2(1/V) ;（3）OTA的小信号理想模型 ● 根据上式传输特性方程式,可画出OTA的小信号理想模型如图所示。 ● 对于这个理想模型,两个电压输入之间开路, 差模输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入 电压控制的电流源,输出电阻为无穷大。同时, 理想跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、 频带宽度等参数均为无穷大,输入失调电压、 输入失调电流等参数均为零。 ;（3）输入级电路原理图 ● M1和M2为对PMOS的差分对管，M3和M4为NMOS差分对管，M5和M8为控制尾电流的开关管。其中，M1和M3接正的输入信号IN+，M2和M4接负的输入信号IN-。 ● 当Vcm接近于Vss时，M1和M2差分对管导通， PMOS电流开关管M8截止，NMOS开关管M5导通， 则电流 被M5抽走，经过1:3电流镜M6和M7 后注入到 中，为M1和M2提供4倍尾电流； ● 当Vcm接近于Vdd时，M3，M4和M8导通， M5截止，则尾电流 经开关管M8和1:3电流镜 M9和M10给输入管M3和M4提供4倍尾电流； ● 当Vcm处于中间状态时， 互补差分输入管M1，M2，M3，M4均工作， 开关管M5和M8均截止，此时只有 和 提供尾电流， 从而电路跨导保持恒定。（Vcm为共模输入电压） ;（4）增益级 ● 本设计的运算放大器利用反 馈增大输出阻抗，实现高直流增 益，放大输入级产生的两对差分输 入电流 与 ，运算 放大器A1和A2为晶体管M14和M18 提供电压增益，最终放大的信号驱动 输出晶体管M26和M22的栅端。 ;● 增益级简化电路 本设计采用增益自举式结构，通过反馈增大输出 阻抗。如图a，在增益自举式结构中，前跨导级 把输入电压转化为输入电流 ，共源共栅晶体管 M用于放大电流 ，运算放大器A用来控制M的 栅极。变化的电流流经M的沟道和有限的源端 阻抗 ，在M的源端产生一个小的变化电压， 调制了输入电流 。电路中形成反馈回路，从而 A把源端电压固定在参考电压Vref上。这强迫 流经源端阻抗 的电流减少，输入电流 全部 流入共源共栅晶体管M。所有流入M端的电流 再次出现在M端的漏端，此时电路可视为一个 极高输出阻抗的理想电流源。 ;● 小信号等效电路 对CMOS增益提高电路进行小信号分析，如图b其中V0为M的源端电极，V1为M的栅源电压差， 为M的漏极输出电压， 为M的漏极输出电流 由上式可以得到输出阻抗： 而单共源共栅电路的输出阻抗为： 电路的小信号分析表明输出阻抗 值增大。 ; ● 输出级 输出级采用AB类结构，增强了 电路驱动能力，并提高了电源效率。 电容与电阻串联构成米勒补偿，控 制波特图右半平面的零点，改善系 统稳定性。 ; 谢谢 ！ ;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题; ? 微弱信号概述 ? 微弱信号相关检测技术 ? 相关检测的应用—锁定放大器;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题;请在此输入您的标题; 微弱信号概述 微弱信号的定义 有用信号的幅