【文章內容簡介】 圖 41系統(tǒng)框圖 圖 41 所示中第一級為 CMOS 運算跨導放大器 的輸入級 —— 差分輸入模塊，輸入級主要作用將輸入信號進行放大作用，并且該電路模塊具有較高的輸入阻抗可以提高后級負載驅動能力。由于本設計采用的是 CMOS 工藝， MOS 管的柵極只有極微小的漏電流，可以保證電路具有很高的輸入阻抗，從而滿足設計要求。 第二級為 CMOS 運算跨導放大器 的中間級 —— 高增益模塊，中間級的作用主要是將經過第一級差分輸入模塊放大的信號進行進一步地放大，使得電路的增益得到更大地提升。 第三級為 CMOS 運算跨導放大器 的輸出級 —— 輸出緩沖模塊，輸出級的作用主要是使得 CMOS 運算跨導放大器 具有平穩(wěn)的共模輸出電平，因此需要該電路具有較高的輸出阻抗。 補償電路模塊的主要作用是通過加上適當?shù)姆答伨W(wǎng)絡從而改變 CMOS 運算跨導放大器 的開環(huán)特性，使得該集成運放在閉環(huán)條件下能夠穩(wěn)定地工作，而不會產生振蕩。 偏置電路模塊的作用是為各個電路模塊提供合適的偏置電壓，使得電路具有穩(wěn)定的性能。 補 償 電 高增益級 差 分 輸 偏 置 電 輸 出 緩 課程設計說明書 6 主放大電路設計 主電路的設計采用的是兩級級聯(lián)的結構，其原理如下： 第一級差分放大電路是采用兩個 PMOS 管作為差分輸入管的折疊式共源共柵結構， PMOS 管的使用可以大大提高運放的增益，與普通全差分結構和套筒式結構相比 ，折疊式共源共柵結構的使用能夠使設計得到一個比較合理的設計效果。在提高集成運放電路增益的同時，電路設計還需要考慮噪聲對電路性能的影響，采用對稱式的管子結構可以將電路的輸出噪聲影響降低到最小。對于集成運放來說，電路的電源抑制比 也 是影響電路性能的一個重要因素，第一級的結構能夠產生較高的電路增益，電路噪聲的提高會使得電源抑制比也會提高，需要通過理論計算從而合理設計管子的寬長比，減小電源抑制比。 折疊式結構功耗 也 相對較大 ，與其良好的輸出擺幅相比還是可以接受的 。 第二級采用共源級，這樣輸出阻抗 會符合設計的要求，與此 同時 還需要考慮輸出擺幅的影響， 共源級的設計會有較高的輸出擺幅。因此，選擇確定了共源級結構。 偏置電路的設計 偏置電路結構簡單可行，該電路的主要作用是通過設計各個管子寬長比來產生不同的偏置電壓。其中 Iref 作用是為整個電路提供參考基準電流，使得產生三個偏置電壓，從而對主電路提供合適的偏置電壓。偏置電路的模塊如圖 42所示。 圖 42偏置模塊 課程設計說明書 7 圖 42 中 M16 管的漏極與偏置電流源 Iref 相連， M16 管與 M13 管構成鏡像電流源的結構，基準電流 Iref 通過鏡像結構把 Iref 按 M16 管寬長比的比例鏡像到 M13 管，在 M13 管的漏極產生一個與基準電流成比例的電流。 M16 管和 M13管的柵極與偏置電流源 Iref 相連，從而產生了偏置電壓 Vbias3； M14 管的柵極與電阻 R2 上端相連一起構成輸出偏置電壓 Vbias1，電流流過 R2 下端與 M15 管柵極相連一起構成輸出偏置電壓 Vbias2。 偏置模塊的設計主要就是設計各個管子的寬長比，根據(jù)主電路中各個模塊電壓的需求產生合適的電壓 。本偏執(zhí)模塊的基準電流源的選取 10uA 電流源，M13M16 寬長比經過計算如下： M13（ W/L） =9， M14（ W/L） =2/3， M15（ W/L）=2， M16（ W/L） =。 輸出級的設計 輸出級可以采用電流源負載的共源極輸出，這種電路結構在負載上的電壓不是緊隨其負載阻抗變化而變化的。如圖 43 所示為本文實際采用的 PMOS 管輸入的電流源負載共源輸出級，能很好地滿足輸出擺幅的要求。 圖 43輸出級設計模塊 這種結構是反相器的結構，由于電路的輸出擺幅要求在 ，因此輸出級采用電流源做負載的共源級設計，其中， PMOS 管 M11 作為輸入管，可以將前級輸出信號的電路增益進一步提高，以達到本設計的設計要求，因此 M11 管的寬長比相對較大一些。 NMOS 管 M12 作為電流源負載， Vbias2 偏置電壓由偏置電路提供， c 為前級主電路的輸出信號。 輸出級所能達到的增益計算公式為： Av2=Gm Rout （ 41） 其中， Gm為 M11 管子的跨導， Rout 是晶體管 M11 和晶體管 M12 的輸出阻抗并聯(lián)的值。 課程設計說明書 8 輸出擺幅為： Vpp=Vdd(Vgs11Vth11)(Vgs12Vth12) （ 42） 由式 44 可以得出，這種結構的安排能夠提供主電路達不到的增益部分的要求，同時還能達到較大的輸出擺幅。 共模反饋的設計 共模反饋電路是集成運放電路的一個重要的模塊，其主要作用是使得集成運放能夠工作在線性區(qū)，并且能夠保證較好的輸出電壓特性。本設計中共模反饋電路的 設計結構簡單，性能較好，采用的是米勒補償電容和補償電阻串聯(lián)的結構。共模反饋電路結構如圖 45 所示。 圖 44反饋電路結構 本設計的主電路采用的是折疊式共源共柵結構，該結構將主電路的輸出節(jié)點作為共模反饋電路的主極點，因此在本設計電路中采用米勒補償電容使得主極點向低頻范圍移動，非主極點向高頻范圍移動，從而實現(xiàn)主極點和非主極點這兩種極點的分離。補償電阻的作用是抑制電路的溫度漂移從而實現(xiàn)放大電路的零溫漂，主極點的頻率可由式 43 計算得到。 11P Rout Cm?? ? （ 43） 非主極點頻率可由式 44 計算得到。 112 gmP Cm?? （ 44） 課程設計說明書 9 5 仿真與分析 運放直流與交流特性 運放的輸入端是差分輸入，在電路設計中在輸入端加入交流正弦信號，輸入信號幅度為 1V，因為增益是輸出與輸入的比值，因此輸出之后的就是增益。輸入信號瞬態(tài)仿真圖如圖 51 所示。 圖 51差分輸入波形 由 上圖可以看出輸入的信號幅值為 1V，輸入信號的頻率為 100kHz，兩個輸入信號為差分共模信號，本設