电子电路大全(PDF格式)-第92章
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MOS晶体管也有热噪声，最大噪声是在沟道中产生，可以证明，对于工作在饱和区的长
沟道MOS器件，可以用一个连接在漏源两端的电流源来模拟，如图 9…5，其谱密度为：
I 2 = 4KTγ gm （11…6）
在长沟道器件中，γ一般取值为 2/3，在亚微米模型中，还有待研究。
闪烁噪声（1/f噪声）：是由半导体中的载流子的陷阱随机捕获或者释放载流子而形成。
在实际中，其噪声平均功率并不容易测得。1/f噪声一般作为一串联于晶体管栅极的电压源，
在低频时起主要作用。
I 2= 4KTγ g
n m
图 11…5 MOS 管的等效热噪声
典型的噪声功率密度表达式为：
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2 K 1
=
Vn COX WL * Δf （11…7）
11。2 CMOS 运算放大器的设计
图 11…6 常用的两级运算放大器框图
CMOS运算放大器在结构上非常类似于双极型运算放大器。差分跨导级构成了运算放大
器的输入级，有时会提供一个差分到单端的转换。通常，恰当的总增益由差分输入级提供，
可以改善噪声和失调性能。第二级通常是反相器，如果差分输入级没有完成差分至单端的
转换，那么这个工作应该由第二级的反相器完成。如果运算放大器必须驱动一个低电阻负
载，第二级后必须增加一级缓冲级，用于降低输出电阻，维持大的信号摆幅。偏置电路用
于为每只晶体管建立适当的静态工作点，而采用补偿电路可以达到稳定的闭环特性。
11。2。1 运算放大器分类和结构
表 11－1 CMOS 运算放大器分类
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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
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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）＇
