【文章內(nèi)容簡介】 圖 41系統(tǒng)框圖 圖 41 所示中第一級(jí)為 CMOS 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 的輸入級(jí) —— 差分輸入模塊，輸入級(jí)主要作用將輸入信號(hào)進(jìn)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(jí)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。由于本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。 第二級(jí)為 CMOS 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 的中間級(jí) —— 高增益模塊，中間級(jí)的作用主要是將經(jīng)過第一級(jí)差分輸入模塊放大的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步地放大，使得電路的增益得到更大地提升。 第三級(jí)為 CMOS 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 的輸出級(jí) —— 輸出緩沖模塊，輸出級(jí)的作用主要是使得 CMOS 運(yùn)算跨導(dǎo)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(bǔ)償電路模塊的主要作用是通過加上適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)從而改變 CMOS 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 的開環(huán)特性，使得該集成運(yùn)放在閉環(huán)條件下能夠穩(wěn)定地工作，而不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 偏置電路模塊的作用是為各個(gè)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(bǔ) 償 電 高增益級(jí) 差 分 輸 偏 置 電 輸 出 緩 課程設(shè)計(jì)說明書 6 主放大電路設(shè)計(jì) 主電路的設(shè)計(jì)采用的是兩級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其原理如下： 第一級(jí)差分放大電路是采用兩個(gè) PMOS 管作為差分輸入管的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)， PMOS 管的使用可以大大提高運(yùn)放的增益，與普通全差分結(jié)構(gòu)和套筒式結(jié)構(gòu)相比 ，折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的使用能夠使設(shè)計(jì)得到一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)效果。在提高集成運(yùn)放電路增益的同時(shí)，電路設(shè)計(jì)還需要考慮噪聲對(duì)電路性能的影響，采用對(duì)稱式的管子結(jié)構(gòu)可以將電路的輸出噪聲影響降低到最小。對(duì)于集成運(yùn)放來說，電路的電源抑制比 也 是影響電路性能的一個(gè)重要因素，第一級(jí)的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較高的電路增益，電路噪聲的提高會(huì)使得電源抑制比也會(huì)提高，需要通過理論計(jì)算從而合理設(shè)計(jì)管子的寬長比，減小電源抑制比。 折疊式結(jié)構(gòu)功耗 也 相對(duì)較大 ，與其良好的輸出擺幅相比還是可以接受的 。 第二級(jí)采用共源級(jí)，這樣輸出阻抗 會(huì)符合設(shè)計(jì)的要求，與此 同時(shí) 還需要考慮輸出擺幅的影響， 共源級(jí)的設(shè)計(jì)會(huì)有較高的輸出擺幅。因此，選擇確定了共源級(jí)結(jié)構(gòu)。 偏置電路的設(shè)計(jì) 偏置電路結(jié)構(gòu)簡單可行，該電路的主要作用是通過設(shè)計(jì)各個(gè)管子寬長比來產(chǎn)生不同的偏置電壓。其中 Iref 作用是為整個(gè)電路提供參考基準(zhǔn)電流，使得產(chǎn)生三個(gè)偏置電壓，從而對(duì)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(shè)計(jì)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(gòu)成鏡像電流源的結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)電流 Iref 通過鏡像結(jié)構(gòu)把 Iref 按 M16 管寬長比的比例鏡像到 M13 管，在 M13 管的漏極產(chǎn)生一個(gè)與基準(zhǔn)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(chǎn)生了偏置電壓 Vbias3； M14 管的柵極與電阻 R2 上端相連一起構(gòu)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(gòu)成輸出偏置電壓 Vbias2。 偏置模塊的設(shè)計(jì)主要就是設(shè)計(jì)各個(gè)管子的寬長比，根據(jù)主電路中各個(gè)模塊電壓的需求產(chǎn)生合適的電壓 。本偏執(zhí)模塊的基準(zhǔn)電流源的選取 10uA 電流源，M13M16 寬長比經(jīng)過計(jì)算如下： M13（ W/L） =9， M14（ W/L） =2/3， M15（ W/L）=2， M16（ W/L） =。 輸出級(jí)的設(shè)計(jì) 輸出級(jí)可以采用電流源負(fù)載的共源極輸出，這種電路結(jié)構(gòu)在負(fù)載上的電壓不是緊隨其負(fù)載阻抗變化而變化的。如圖 43 所示為本文實(shí)際采用的 PMOS 管輸入的電流源負(fù)載共源輸出級(jí)，能很好地滿足輸出擺幅的要求。 圖 43輸出級(jí)設(shè)計(jì)模塊 這種結(jié)構(gòu)是反相器的結(jié)構(gòu)，由于電路的輸出擺幅要求在 ，因此輸出級(jí)采用電流源做負(fù)載的共源級(jí)設(shè)計(jì)，其中， PMOS 管 M11 作為輸入管，可以將前級(jí)輸出信號(hào)的電路增益進(jìn)一步提高，以達(dá)到本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，因此 M11 管的寬長比相對(duì)較大一些。 NMOS 管 M12 作為電流源負(fù)載， Vbias2 偏置電壓由偏置電路提供， c 為前級(jí)主電路的輸出信號(hào)。 輸出級(jí)所能達(dá)到的增益計(jì)算公式為： Av2=Gm Rout （ 41） 其中， Gm為 M11 管子的跨導(dǎo)， Rout 是晶體管 M11 和晶體管 M12 的輸出阻抗并聯(lián)的值。 課程設(shè)計(jì)說明書 8 輸出擺幅為： Vpp=Vdd(Vgs11Vth11)(Vgs12Vth12) （ 42） 由式 44 可以得出，這種結(jié)構(gòu)的安排能夠提供主電路達(dá)不到的增益部分的要求，同時(shí)還能達(dá)到較大的輸出擺幅。 共模反饋的設(shè)計(jì) 共模反饋電路是集成運(yùn)放電路的一個(gè)重要的模塊，其主要作用是使得集成運(yùn)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(shè)計(jì)中共模反饋電路的 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，采用的是米勒補(bǔ)償電容和補(bǔ)償電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。共模反饋電路結(jié)構(gòu)如圖 45 所示。 圖 44反饋電路結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)的主電路采用的是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將主電路的輸出節(jié)點(diǎn)作為共模反饋電路的主極點(diǎn)，因此在本設(shè)計(jì)電路中采用米勒補(bǔ)償電容使得主極點(diǎn)向低頻范圍移動(dòng)，非主極點(diǎn)向高頻范圍移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主極點(diǎn)和非主極點(diǎn)這兩種極點(diǎn)的分離。補(bǔ)償電阻的作用是抑制電路的溫度漂移從而實(shí)現(xiàn)放大電路的零溫漂，主極點(diǎn)的頻率可由式 43 計(jì)算得到。 11P Rout Cm?? ? （ 43） 非主極點(diǎn)頻率可由式 44 計(jì)算得到。 112 gmP Cm?? （ 44） 課程設(shè)計(jì)說明書 9 5 仿真與分析 運(yùn)放直流與交流特性 運(yùn)放的輸入端是差分輸入，在電路設(shè)計(jì)中在輸入端加入交流正弦信號(hào)，輸入信號(hào)幅度為 1V，因?yàn)樵鲆媸禽敵雠c輸入的比值，因此輸出之后的就是增益。輸入信號(hào)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(hào)幅值為 1V，輸入信號(hào)的頻率為 100kHz，兩個(gè)輸入信號(hào)為差分共模信號(hào)，本設(shè)