ch9运算放大器解读课件

福州大学物信学院1第9章 运算放大器屈艾文屈艾文福州大学物信学院2l概述概述l一级运放一级运放l两级运放两级运放l共模反馈共模反馈l转换速率转换速率l电源抑制电源抑制9.1 9.1 概述概述福州大学物信学院3“运放运放”定义：高增益的差动放大器。定义：高增益的差动放大器。所谓所谓“高高”，指的是对应用，其增益，指的是对应用，其增益已足够了，通常增益范围在已足够了，通常增益范围在10101 110105 5 。由于运放一般用来实现一个反馈系。由于运放一般用来实现一个反馈系统，统，其开环增益的大小根据闭环电路其开环增益的大小根据闭环电路的精度要求来选取的精度要求来选取。9.1.1 9.1.1 性能参数性能参数福州大学物信学院4(一一)增益增益 运放的开环增益确定了使用运放的反运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度馈系统的精度，所要求的增益根据应，所要求的增益根据应用可以有四个数量级的变化。如果综用可以有四个数量级的变化。如果综合考虑速度与输出电压摆幅这一类的合考虑速度与输出电压摆幅这一类的参数，则必须知道所需的最小增益。参数，则必须知道所需的最小增益。高的开环增益对于抑制非线性是必须高的开环增益对于抑制非线性是必须的。的。福州大学物信学院5例9.1如图所示的电路被设计成额定增益为10，即1+R1/R2=10。要求增益误差为1%，确定A1的最小值。福州大学物信学院6例例9.1。解解该电路的闭环增益为该电路的闭环增益为预计预计A110,上式近似表达成上式近似表达成其中一项其中一项(R1+R2)/(R2A1)=(1+R1/R2)/A1表示相对增益误差。表示相对增益误差。要达到增益误差小于要达到增益误差小于1%，必须满足，必须满足A11000。将下面的左图与右图中开环实现的电路进行比较是有益将下面的左图与右图中开环实现的电路进行比较是有益的。尽管可以用共源电路得到额定增益的。尽管可以用共源电路得到额定增益gmRD=10，但要，但要保证误差小于保证误差小于1%却非常困难。晶体管中迁移率和栅氧却非常困难。晶体管中迁移率和栅氧化层厚度的变化以及电阻值的变化通常产生的误差大于化层厚度的变化以及电阻值的变化通常产生的误差大于20%。福州大学物信学院79.1.1 9.1.1 性能参数性能参数福州大学物信学院8(二二)小信号带宽小信号带宽 运放的高频特性在许多应用中起重要作用。例如，运放的高频特性在许多应用中起重要作用。例如，当工作频率增加时，开环增益开始下降，如下图所当工作频率增加时，开环增益开始下降，如下图所示，在反馈系统中产生更大的误差。小信号带宽通示，在反馈系统中产生更大的误差。小信号带宽通常被定义为单位增益频率常被定义为单位增益频率fu，在今天的，在今天的CMOS运放运放中，它可以超过中，它可以超过1GHz。为更容易预测闭环频率特。为更容易预测闭环频率特性，也可以规定性，也可以规定3dB频率频率f3dB 9.1.1 9.1.1 性能参数性能参数福州大学物信学院9(三三)大信号带宽大信号带宽 在当今的许多应用中，运放必须在瞬态大信号下工作，在这种情况在当今的许多应用中，运放必须在瞬态大信号下工作，在这种情况下，非线性现象使得对速度的表征非常困难，很难只通过小信号特下，非线性现象使得对速度的表征非常困难，很难只通过小信号特性来表示速度。性来表示速度。例如：下图中的反馈电路包含一个实际的运放例如：下图中的反馈电路包含一个实际的运放(即即该运放的输出阻抗是有限的该运放的输出阻抗是有限的)，且驱动大的负载电容，在输入为，且驱动大的负载电容，在输入为1V的的阶跃电压时，该电路如何工作？由于输出电压不能瞬间变化，运放阶跃电压时，该电路如何工作？由于输出电压不能瞬间变化，运放自身在自身在t0发送的电压差等于发送的电压差等于1V。这么大的电压差在瞬间会驱动运放。这么大的电压差在瞬间会驱动运放进入非线性工作区。进入非线性工作区。(否则，运放的开环增益比如说是否则，运放的开环增益比如说是1000，则在输，则在输出端将产生出端将产生1000V)9.1.1 9.1.1 性能参数性能参数福州大学物信学院10(四四)输出摆幅输出摆幅 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。例如，能响应管弦乐队音乐的高质量的话筒可以产生的瞬时电压范围大于四个数量级，要求其后的放大器和滤波器处理大的摆幅(并且/或者达到低噪声)。对大输出摆幅的需求使全差动运放使用相当普遍。9.1.1 9.1.1 性能参数性能参数福州大学物信学院11(五五)线性线性 开环运放有很大的非线性。例如，在右图中的电路中，输入对管M1M2在它的差动漏电流与输入电压之间呈现一种非线性关系。值得注意的是，在许多反馈电路中，决定开环增益选择的因素是线性的要求，而不是增益误差的要求。9.1.1 9.1.1 性能参数性能参数福州大学物信学院12(六六)噪声与失调噪声与失调 运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平。(七七)电源抑制电源抑制运放常常在混合信号系统中使用，并且有时连接到有噪声的数字电源线上。因此，在有电源噪声时，尤其是在噪声频率增加时，运放的性能是相当重要的。所以全差动结构更受欢迎。9.2 9.2 一级运放一级运放福州大学物信学院13图图(a)、(b)分别是单端和双端输出形式，两种结构的小信分别是单端和双端输出形式，两种结构的小信号增益相同，但因号增益相同，但因(a)比比(b)多一个多一个“镜像镜像”极点，故带宽极点，故带宽比对称输出结构要窄，由于比对称输出结构要窄，由于(b)的静态工作点不能的静态工作点不能“目测目测”，故还需共模反馈电路才能正常工作。，故还需共模反馈电路才能正常工作。一级运放接成单位增益缓冲器一级运放接成单位增益缓冲器福州大学物信学院14问题：问题：1、输入共模电压范围、输入共模电压范围 2、闭环增益是多少、闭环增益是多少 3、开环增益是多少、开环增益是多少一级运放接成单位增益缓冲器一级运放接成单位增益缓冲器福州大学物信学院15这种接法也称为跟随这种接法也称为跟随器连接方式器连接方式结论：结论：福州大学物信学院16闭环的输出阻抗相对独立于开环输出闭环的输出阻抗相对独立于开环输出阻抗。阻抗。可以通过增大开环输出阻抗来设计高可以通过增大开环输出阻抗来设计高增益的运放，提高运放的反馈系统的增益的运放，提高运放的反馈系统的精度，而闭环输出阻抗仍然较低，接精度，而闭环输出阻抗仍然较低，接近理想电压放大器。近理想电压放大器。“套筒式套筒式”共源共栅共源共栅(Cascode)Cascode)运放运放福州大学物信学院17“套筒式套筒式”运放跟随器连接时的输出摆幅运放跟随器连接时的输出摆幅福州大学物信学院18M2饱和要求：饱和要求：M4饱和要求：饱和要求：输出电压范围输出电压范围注意：因注意：因Vb的限制，共模输入电压范围的限制，共模输入电压范围也很窄。也很窄。Vinmax V VX X+V+VTNTN=V=Vb b-V-VGS3(4)GS3(4)+V+VTNTN例例9.5福州大学物信学院19设计全差动套筒式运放，该运放的性能指标为：VDD=3V，差动输出摆幅=3V，功耗=10mW，电压增益=2000。假定nCox=60A/V2，pCox=30A/V2，n=0.1V-1，p=0.2V-1(有效沟通长度为0.5m时)=0，VTHN=|VTHP|=0.7V。福州大学物信学院20根据功耗分配电流根据功耗分配电流根据输出摆幅分配过驱动电压根据输出摆幅分配过驱动电压由电流公式由电流公式,得出宽长比得出宽长比根据增益调整宽长比根据增益调整宽长比输入共模电平和偏置电压输入共模电平和偏置电压Vb1和和Vb2的的选择。（必须满足使输出摆幅最大）选择。（必须满足使输出摆幅最大）作业作业福州大学物信学院219.4(除e)（注：LD0）=09.8（注：LD0）（a)=0.(b)0.(C)0 0折叠折叠式共源共栅放大器（式共源共栅放大器（1 1）福州大学物信学院22同型同型NMOS管构成的共源管构成的共源共栅放大器共栅放大器PNMOS管构成的共源管构成的共源共栅放大器共栅放大器两种结构两种结构有何区别有何区别？折叠折叠式共源共栅放大器（式共源共栅放大器（2 2）福州大学物信学院23同型同型PMOS管构成的共源管构成的共源共栅放大器共栅放大器NPMOS管构成的共源管构成的共源共栅放大器共栅放大器两种结构两种结构有何区别有何区别？以共源共栅以共源共栅PMOSPMOS为负载的为负载的折叠折叠式共源共栅运放的增益（式共源共栅运放的增益（1 1）福州大学物信学院24差差模模半半电电路路以共源共栅以共源共栅PMOSPMOS为负载的为负载的折叠折叠式共源共栅运放的增益（式共源共栅运放的增益（2 2）福州大学物信学院25套筒式与折叠式共源共栅运放的区别（套筒式与折叠式共源共栅运放的区别（1）福州大学物信学院261.套筒式运放的偏置电流同时供给输入对管和共栅管，折套筒式运放的偏置电流同时供给输入对管和共栅管，折叠式运放的输入对管和共栅管需不同的偏置电流通常折叠式运放的输入对管和共栅管需不同的偏置电流通常折叠式运放比套筒式运放要消耗更多的功耗。叠式运放比套筒式运放要消耗更多的功耗。2.两种结构的共模输入电压范围有明显区别，对于套筒式两种结构的共模输入电压范围有明显区别，对于套筒式运放而言，运放而言，VincM Vb1-VGS3+VTN，对于折叠式而言，对于折叠式而言，VincM Vb1-VGS3-|VTP|，这时折叠式可直接接成跟随器这时折叠式可直接接成跟随器形式。形式。套筒式与折叠式运放差模增益的区别（套筒式与折叠式运放差模增益的区别（2）福州大学物信学院27因因NMOS的跨导比的跨导比PMOS跨导大，且跨导大，且r01/r02 ISS/2，M3、M4进入线性进入线性ID3（ID4）Rout，上式变为低频增益和时间常数均除以低频增益和时间常数均除以1+AR2/(R1+R2)。因此，阶跃响应为。因此，阶跃响应为上式表明，上式表明，其斜率正比于终值。这种响应类型称为其斜率正比于终值。这种响应类型称为“线性稳定线性稳定”。运放运放中的转换中的转换福州大学物信学院43对于足够小的输入的响应遵循指数规律，但对于大的阶对于足够小的输入的响应遵循指数规律，但对于大的阶跃响应，运放表现出具有跃响应，运放表现出具有不变斜率不变斜率的线性的线性斜坡斜坡。在这种。在这种情况下，我们说，此运放经历了转换，并称此斜坡的斜情况下，我们说，此运放经历了转换，并称此斜坡的斜率为率为“转换速率转换速率”。简单运放简单运放的小信号工作的小信号工作福州大学物信学院44对于小的阶跃响应对于小的阶跃响应(M1、M2均未截止均未截止)，运放表，运放表现出斜率正比于输入阶跃幅度的线性斜坡。现出斜率正比于输入阶跃幅度的线性斜坡。低低到高变化时的转换到高变化时的转换福州大学物信学院45SR=V/S=ISS/CL假定假定R1+R2很大很大高到高到低低变化时的转换变化时的转换福州大学物信学院46SR=V/S=-ISS/CL福州大学物信学院47低低到高变化时的转换（正转换速率）到高变化时的转换（正转换速率）SR=V/S=ISS/（C1C2）福州大学物信学院48高到高到低低变化时的转换（负转换速率）变化时的转换（负转换速率）SR=V/S=-ISS/（C1C2）福州大学物信学院499.9 9.9 电源抑制电源抑制电源抑制比电源抑制比(PSRR)定义为：定义为：从输入到输出的增益除以从电从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。源到输出的增益。如左图，如果电路非常对称，如左图，如果电路非常对称，Vout=VX。由于二极管连接的。由于二极管连接的器件对器件对X点相对于点相对于VDD进行箝进行箝位，因此，当位，因此，当VDD变化时，变化时，VX和和Vout的变化大致是相同的。的变化大致是相同的。也就是说，从也就是说，从VDD到到Vout的增的增益接近益接近1。因此，在低频时，。因此，在低频时，PSRR为：为：本章重点本章重点掌握运放的性能参数包括哪些？掌握为什么套筒式运放不能接成跟随器形式？掌握运放的设计思路例9.5掌握NMOS输入管的套筒式与PMOS输入管的折叠式共源共栅运放的区别（功耗、共模输入电压范围、增益、带宽）掌握两级运放的好处与增益了解高增益全差动运放需要共模反馈，及共模反馈的原理结构图掌握转换速率的含义。运放在大、小阶跃响应下，运放输出电压的斜率与什么有关？了解电源抑制比的定义。作业9.4(除e);9.8（注：LD0）福州大学物信学院50