为什么两级运放输入偏置电流第一级输入对管用PMOS更好

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一款轨到轨输入输出运算放大器设计与研究.pdf74页
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代号 10701 学号
分类 TN4 密级 公开
一款轨 到轨输入/ 输出运算 放大器的设计与研 究
题 ( 中 、 英 文 ) 目Design of a rail-rail input and output
operational amplifier辛国松 学校指导教师姓名职称 张玉明教授
集成电路工程 田泽研究员
工程领域 企 业 指 导 教 师 姓 名 职 称
二 ○ 一三年一月
论文类型 技术论文 提交论文日期西安电子 科技大 学
学位论文 独创性 (或创新 性)声 明
秉 承 学 校 严 谨 的 学 风 和 优 良 的 科 学 道 德 , 本 人 声 明 所 呈 交 的 论 文 是 我 个 人在
导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 研 究 成 果 。 尽 我 所 知 , 除 了 文 中 特 别 加 以 标
注 和 致 谢 中 所 罗 列 的 内 容 以 外 , 论 文 中 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成
果 ; 也 不 包 含 为 获 得 西 安 电 子 科 技 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的
材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 做 了 明 确 的 说
明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。
日期:关于论文 使用授 权的说明
本 人 完 全 了 解 西 安 电 子 科 技 大 学 有 关 保 留 和 使 用 学 位 论 文 的 规 定 , 即 : 研究
生 在 校 攻 读 学 位 期 间 论 文 工 作 的 知 识 产 权 单 位 属 西 安 电 子 科 技 大 学 。 学 校 有 权 保
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容 , 可 以 允 许 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 它 复 制 手 段 保 存 论 文 。 同 时 本 人 保 证 , 毕 业 后
结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安
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共源共栅两级运放中两种补偿方..
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共源共栅两级运放中两种补偿方法的比较
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当前位置:&>>&&>>&&>>&采用增益提高技术的两级放大器的设计
  摘要:基于chartered 0.35 μm工艺,采用PMOS管作为输入管的折叠式共源共栅结构,设计了一种采用增益提高技术的两级.利用Cadence公司的spectre对电路进行仿真,该电路在3.3 V电源电压下具有125.8 dB的直流开环增益,2.43 MHz的单位增益带宽,61.2°的相位裕度,96.3 dB的共模抑制比.
  0 引言
  运算是许多模拟系统和混合信号系统中的一个重要部分.高的直流增益无疑是运算放大器重要的设计指标.由于运算放大器一般用来实现一个反馈系统,其开环直流增益的大小决定了使用运算放大器的反馈系统的精度.在现代CMOS模拟电路中,低压差线性()的设计中,要求运算放大器有高的直流增益来减小其静态误差.折叠式共源共栅结构可以提供高的增益,大的输出电压摆幅,好的频率特性,而且功耗比较低.
  本文根据设计要求,设计了一种采用增益提高技术的两级放大器:第一级为在差分输入单端输出的折叠式共源共栅放大器中采用增益提高技术的低电压电流镜,以达到高增益且可提供适当摆幅,第二级采用共源极电路结构以增大输出摆幅,同时提供适当的增益.在放大器的两级之间,采用改善零点频率的密勒补偿技术来使电路达到稳定.经过Cadence spectre软件仿真显示,该结构直流增益达到了125.8 dB,相位裕度达到了61.2°.
  1 运算放大器的设计
  本文所设计的电路是在采用折叠式共源共栅结构的两级放大器中,采用增益提高技术的低电压电流镜来得到高增益.
  增益提高技术利用反馈技术来提高信号通路上的输出阻抗,可以通过如图1所示的结构来说明.该结构通过电流电压反馈来控制M4 源端的电压,使其保持恒定值,由于放大器M6 的作用,输出电压的变化对M2 漏端电压的影响很小.通过M2 的电流变得恒定,从而产生更高的输出阻抗.由小信号电路分析可知,该电路的输出阻抗与传统的共源共栅结构相比,增加了A1 倍.
  其输出阻抗表达式为:
  2 总电路结构
  图2 为运算放大器的总电路结构:第一级采用PMOS管作为输入管的折叠式共源共栅结构,并且在其增益提高级采用了增益提高技术来提高输出阻抗,进而提高增益.第二级采用简单的共源级的典型结构输出,以提供最大的输出摆幅.为使电路达到稳定,在增益提高级与输出之间采用了改善零点频率的密勒补偿.
  电路的静态工作条件由偏置电路提供.
  2.1 输入级电路结构设计
  在两级运算放大器的设计中,第一级提供高增益;而在单级放大器中,折叠式共源共栅和套筒式共源共栅均可提供很高的增益.折叠式共源共栅运放与套筒式结构相比,电压的输出摆幅较大些,而且在应用方面输入输出可以短接,实现单位增益缓冲器;其次,折叠式共源共栅结构的输入共模范围大,输入共模电平可以接近VDD(NMOS作输入管)或GND(PMOS作输入管).若采用NMOS管作为输入管,由于比空穴迁移率大,能得到更大的增益,但其折叠点有很大的寄生电容,影响了运放的速度,所以可采用PMOS管作为输入管来提高主放大器的频率特性.本文设计的差分输入单端输出的折叠式共源共栅结构如图3 所示,其中M1 ,M2 ,M5 ,M6 构成折叠式差分电路;M3 ,M4 构成差分电路的偏置电流源;M19 构成差分输入的尾电流源;M7 ,M8 ,M9 ,M10 构成共源共栅电路;M13 ,M14 ,M15 ,M16 ,M17 ,M18 构成增益提高电路,来提高第一级的输出.
  Vbias1 ,Vbias2 ,Vbias3 提供增益提高级的直流偏置电压.在第一级PMOS差分输入的折叠式共源共栅中,增益提高技术的增益为:
  运放第一级的增益为:Av1 = Gm *Rout ,Gm 为输入差分管的跨导.
  2.2 输出级电路结构设计
技术资料出处:电子爱好者博客
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设计时常常是低电平有效,本文讲解一下内因,大家有兴趣的看看。
  事实上,它是由常用的电路结构所决定的,低电平时电路往往有较高电平时更低的环路阻抗,而低阻抗则意味着抗干扰能力更强。结合实际讲一个有用的例子来加深印象:
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共源共栅两级运放的三种补偿结构分析和比较
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