模拟集成电路设计 课件 第4章 运算放大器.pptx

第4章运算放大器

(OperationalAmplifier:OPAMP)

运算放大器是模拟集成电路设计的核心!!

4.1.1电阻负载差动放大器

4.1.2二极管负载差动放大器

单级差动放大器

4.1.3电流源负载差动放大器

4.1.4电流镜负载差动放大器

4.2运算放大器的构成和实例

4.3稳定性和相位补偿

4.4运算放大器的性能分析

4.5运算放大器的特性解析

4.6两级运算放大器设计实例

第4章运算放大器

4.1差动放大器

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Vss

高增益的差动放大器，通常在闭环(负反馈)下使用。

应用领域：

●各种微弱电信号的放大、读出、滤波、处理

●信号处理—加，减，微分，积分，峰值检测/保持，等

●基准电压电流的产生(直流偏置，误差放大器)

●负载驱动buffer(接口电路，片内电源)

●时钟信号产生电路

●

OPAMP的应用领域

Vin+O-

Vin-O—

OPAMP

VDD

Av

Vout

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M₁和M₂是共源放大管，M₃

是电流镜的一部分，给M₁和M₂提供恒定的偏置电流，称为尾电流源。Rp是负载电阻。

为了使左右两边电路完全对

称，放大管M₁和M₂的特性应尽可能保持一致(包括尺寸相同，并且在版图设计时应考虑两个管子的匹配，以保证阈值电压相同)。

(a)输入信号

4.1.1电阻负载差动放大器

Vout₁

(b)输出信号

VDp-RpIp₃/2

t

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Vin=-Vin₂:输入的差模小信号电压

Vcm:输入的共模电压

Vou2

Vcmo

(a)(b)(c)

共模输入-输出特性曲线(截止区~饱和区)

1)当VcmVTH时，M₁和M₂均截止，Ip₁=Ip₂=0,Ip₃=0,因此，M₃处于深度线性区，Vs=0,此时，Vout₁=Vout₂=VDD

2)当VcmVTH时，M₁和M₂导通并最终进入饱区，M₃也进入饱和区，Vs随Vcm增大，此时，Ip₁=Lp₂=Ip₃/2,Vou=Vou₂=Voo-R,(Ip₃/2)

3)当VcmVou+Vm=Vop-R₀Ip₃/2+Vm时，M₁和M₂进入线性区。

Vout₁,Vout₂

VDp-RpIp₃/2

大信号特性

Ip₁,ID₂

ID₃/2

VTHVcm

VTHVcm

VDD

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小信号差动增益与共模输入电压之间的关系

|AyI

0VTHVcm₁Vcm2Vcm

尾电流源开始进入饱和区输入MOS差动管开始进入线性区

输入共模电压的允许范围(ICMR:InputCommonModeRange):

输入共模电压范围

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·V₁V₂时，M₂优先导通(尾电流全部流入M₂),M₁截止。反之亦然。

·Vout₁与Vout₂的输出范围：(Vpp-RpIss)~VDD

·V₁-V₂较小时(小振幅差动信号),小信号差动增益较大，且在线性范围。

Vpp

VDD-RpIss

V₁-V₂

输入-输出电压关系

大信号特性

Vout₁

Vout2

线性范围

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对于差动交流小信号而言，由于左右两边电路完全对称，

电路的相连结点(S)可看作是“交流接地”,即v₅=0。因此M₁和M₂的体效应不影响差动放大器的小信号特性。

差模小信号等效电路

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Vou₁/vin₁=Vou₂/Vin₂=-8m(Rpllrds₁,2)

2)差动输入-单端输出时的小信号电压增益：

3)输入电阻：ri=0

4)输出电阻(双端输出):

1)差动输入-差动输出时的小信号电压增益：

差模小信号特性

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对于半边等效电路，由于M₁和M₂并联，其等效的宽长比变为单管的2

倍，同时由于偏置电流也增大为单管的2倍，因此跨导增大为单管的2倍。

共模小信号特性

Vout₁=Vout2Vou=Vou₁-Vout₂=0

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Vout₁28mvgs

绍

Vc=gs1+2mvgs1.rs3

Vout