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第2节 运算放大器
更新于2008-09-15 12:10:53

图6.1是具有理想特性的运算放大器(OPA:operational amplifier)。所谓理想特性是指差动增益无限大,同相增益为0,输入阻抗无限大,输出阻抗为0。为了搭载到VLSI上,要求即使有来自电源和衬底的噪声,运算放大器的输入输出也不受影响,同时差动信号对全差动运算放大器是有效的。噪声通常是以同相成分加上去的,所以不会出现在差动信号成分中。之所以称为运算放大器是因为在负反馈电路结构基础上能够实现加法运算、减法运算、积分、微分等各种运算电路。


图6.1运算放大器


6.2.1单输出运算放大器

基本的运算放大器是由图6.2示出的2级基本电路构成。第1级采用有源负载型差动放大器,第2级采用源极接地放大器。有源负载型差动放大器在将差动信号变换为单信号时信号电压增大1倍,能够获得30~40dB的高电压增益。OPA的电压增益为2级增益之和,即
Av(dB)=20 log(Av1×Av2)=Av1(dB)+Av2(dB)
可达到60~70dB。


图6.2运算放大器的基本电路


表6.6示出运算放大器的重要特性以及等效电路。取样值模拟电路在时钟作用下工作,不过这时会有大的变化量加到运算放大器的输入上。在加有大的输入电压的状态下,差动对的一个MOS完全截止,恒流源的电流Ib全部流过另一个MOS。差动放大器的负载电容是用于相位补偿的比较大的电容Cc,所以处于以恒定电流Ib充放电的状态。因此,输出电压随时间以一定的斜率变化,这个斜率叫做转换速率(SR:slew rate)。SR越大,响应越快。设定时间中包含有输入变化后SR状态的时间,它是输出达到必要的电压精度时的稳定时间。在时钟作用下工作的模拟电路,使用的OPA的设定时间必须小于时钟周期的1/2。

表6.6运算放大器的特性
(a)电压增益



(b)小信号等效电路



(c)转换速率(SR)
SR=dVout/dt|max=Icc|max/Cc=Id5/Cc
SR=2 Id1/Cc=2 Id1ωta/gm1
gm1=2μCox(W/L)1Id1
SR=2 Id1ωta2μCOX(W/L)1Id1=Veff1ωta
Veff1=2Id1μCOX(W/L)1



在反馈放大器的设计中,针对振荡问题必须考虑它的稳定性。设传输函数的阶数为n,那么高频相位会旋转2nπ,因而可能发生振荡。增益为1的频率的相位与-180°之差叫做相位余量。有必要增加相位余量,这就是相位补偿,最基本的方法就是在第2级源极接地放大器的输入与输出之间插入相位补偿电容Cc。表6.7示出运算放大器相位补偿的方法。

表6.7运算放大器相位补偿的方法
Cc大的情况:



ωp1=1/R1Cc(1+gm/R2)=1/R1Ccgm/R2
ωp2=gm/CcC1C2+C2Cc=gm/C1+C2
ωz=-gm/Cc


Cc=0的情况:




6.2.2全差动运算放大器

图6.3是全差动运算放大器电路。图6.3(a)是差动共源共栅电路与电流折返的结构,图6.3(b)是附有同相反馈电路的差动放大器和源极接地放大器的电路,当噪声叠加到电源和衬底上时,它会出现在输出端。用电源电压抑制比(PSRR:power supply rejection ratio)表征噪声抑制的程度。理想的全差动电路中,噪声是同相地加在电路中,所以不会出现在输出端。但是,由于输入输出都是差动的,不能确定直流工作点,因此必须控制共模的电压,为此要检出同相成分,给直流偏置电路加反馈,采用将同相成分控制在要求值的同相反馈电路(CMFB:common mode feedback)。


图6.3全差动运算放大器

 

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