【正文】 影響可以忽略不計(jì)，那么該電路的高頻小信號(hào)等效電路如圖 。 密勒電容跨接在第二級(jí) （ V5） 的輸出端，第一級(jí)輸出電流 Io1給 Cc充電，如圖 由壓擺率計(jì)算 公式 可知： SR=Iss/Cc 電源（ Vdd） 10V 直流增益（ Avd） ≥ 5000 密勒電容 （ Cc） 5pF ＋－U oC cIo1蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 壓擺率計(jì)算 Iss = Cc SR=5 =10 uA 式 () 求出第一級(jí)偏置電流 Iss=10 uA， 取 Iss=80 uA， 則 = =40 uA。 在 圖 所示的設(shè)計(jì)的兩級(jí) CMOS運(yùn)算放大器中，偏置電流 ID7 通過管子 M2 或者 M1,M3,M4，對(duì)電容 CC進(jìn)行充電或者放電。 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)運(yùn)算放大器 的性能指標(biāo) 要求（單位增益帶寬、壓擺率、直流增益、電源、功耗等） ，通過 CMOS 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的一般步驟得到電路的相關(guān) 器件 參數(shù)（ MOS 管的寬長(zhǎng)比、各管的漏電流及實(shí)際功耗等） ，設(shè)計(jì)步驟如下： 根據(jù)總功耗 Pm=100mW， =10V， 求出允許的總電流 I為 I=Pm/ =10mA 根據(jù) SR=2 V/us， 算出第一級(jí)的偏置電流 Iss。 兩級(jí) CMOS 運(yùn) 放的 器件結(jié)構(gòu) 參數(shù) 設(shè)計(jì) 針對(duì)圖 所設(shè)計(jì)的電路， 根據(jù) 電路的性能指標(biāo)要求 以及相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算出滿足要求的各 MOS 管 結(jié)構(gòu) 參數(shù) ，最后根據(jù)電路的設(shè)計(jì)要求對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行修正。 該運(yùn)放的工作原理：信號(hào)由差分對(duì)管兩端輸入，差模電壓被轉(zhuǎn)化為差模電流，差模電流作用在電流鏡負(fù)載上又轉(zhuǎn)化成差模電壓，信號(hào)電壓被第一次放大后被轉(zhuǎn)化為單端輸出，隨即進(jìn)入共源級(jí)再一次被放大后從漏端輸出。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 兩級(jí) CMOS 運(yùn)放 的工作 原理 兩級(jí) CMOS 運(yùn) 放 主要由兩個(gè) 單級(jí)放大器 組成 ：差分 輸入級(jí)和共源增益級(jí)，輔助電路為偏置電路和頻率補(bǔ)償電路。 為了提高增益，避免集成電路制造大電阻，往往采用有源負(fù)載。 M M7 與偏置電路組成電流源電路，提供查分 放大器的工作電流及作為M5 共源放大器的有源負(fù)載。 M3 MbreakP 0 M1 MbreakN VCC M2 MbreakN 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 V2F R EQ = 28 0kVAM PL = 1VOF F = 2M5M bre ak PM9M bre ak P0OU T 2M1M bre ak NM8M bre ak NV14. 5Vd cM4M bre ak PM7M bre ak NOU T 1V310 VdcM3M bre ak PC15pM6M bre ak NM2M bre ak N 圖 兩級(jí) CMOS運(yùn)算放大器電路 圖 中，完全匹配的 N 溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 M1 和 M2 作為差分對(duì)管， P 溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 M M4 組成鏡像電流源作為差動(dòng)對(duì)管的有源負(fù)載， P溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 MN 溝道 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 M6 組成 共源放大器為信號(hào)提供二級(jí)放大，同時(shí)，他們也作為兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器的輸出電路。 補(bǔ)償電路主要為了讓運(yùn)算放大器工作穩(wěn)定，同時(shí)消除第二個(gè)極點(diǎn)對(duì)低頻放大倍數(shù)、單位增益帶寬等的影響 ，也就是防止電路產(chǎn)生自激 。 圖 CMOS 偏置電路圖 圖中的 M3 是偏置電路的負(fù)載， M M2 共同構(gòu)成了偏置電路 ，從而提供 M2 管漏極上的電流。 與恒流源密切相關(guān) 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 偏置及補(bǔ)償模塊 選擇 在 MOS 模擬集成電路中，偏置電路是不可缺少的重要組成部分。即 式中 式 () 將 、 表達(dá)式帶 入 中，得到 式 () 從式子中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流 減 小時(shí)，電壓增益 增大。當(dāng)輸入電壓 Vin 大于 M1 管的閾值電壓時(shí)， M1 管 開始 導(dǎo)通 ，隨著 Vin 的逐漸增大，輸出電壓開始下降，當(dāng)通過 M M2 管的電流增大到一定程度時(shí)， M M2 管均工作在飽和區(qū) ， 隨著 Vin的逐漸增大，輸出電壓迅速下降，直到 輸入電壓 Vin 增大到 Vout+Vth1 時(shí)， M1 管進(jìn)入線性區(qū)。有源負(fù) 載 M2 與偏置電路構(gòu)成電流源電路時(shí)， M2 通常作為有源負(fù)載。 第二級(jí)放大模塊 及 輸出模塊 選擇 第二級(jí)放大器 采用 共 源 放大器 ，它是主要的電壓增益級(jí) （ 100~1000）， 且它的輸出阻抗低， 是 CMOS 運(yùn)放的主要放大單元 。在溝道調(diào)制效應(yīng)可以忽略的條件下，差動(dòng)放大器的增益取決于管子的靜態(tài)工作電流和管子寬 長(zhǎng)比 （見式 ） 。 差模增益 Aud的分析 式 () 式 ()中， gm1為差分對(duì)管 V1(或 V2)的跨導(dǎo)， rds4為 V4的輸出電阻， rds2為 V2的輸出電阻RL為負(fù)載電阻。 此 電路為單端輸出，輸出電流 = 。 圖 差動(dòng)放大器 該電路中， N溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 V1和 V2作為差分對(duì)管，是完全匹配的，其工作電流由 V V6組成比例電流源 構(gòu)成的電流源提供 ， P溝道 MOS場(chǎng)效應(yīng)管 M M4組成鏡像電流源作 為差分放大管的有源負(fù)載（ 讓差分放大器有電壓輸出）。 從而可以獲得盡可能低的零點(diǎn)漂移和盡可能高的共模抑制比 [3]。 兩 級(jí) CMOS運(yùn) 算放大器 的 組成 框圖 如圖 示 ： 圖 兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放 大器的 組成 框圖 輸 出電路 （互補(bǔ)推挽 ） 共源放大器 （二級(jí)放大） + 差分放大器 （一級(jí)放大） 補(bǔ)償電路 偏置電路 第一級(jí)放大 第二級(jí)放大 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第一級(jí)放大模塊 選擇 設(shè)計(jì)中 第一級(jí)采用 了 差動(dòng)放大器 ， 主要原因 在于 差分放大器只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，而對(duì)共模信號(hào) (信號(hào)大小相等、相位相同 ) 進(jìn)行抑制， 也就是說當(dāng)輸入信號(hào)的差值為零時(shí)，輸出 的差值電流為零 。本 章主要介紹 了一個(gè) 兩級(jí) CMOS 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。即運(yùn)用第一級(jí)放大器得到高增益，可以犧牲擺幅，第二級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)大輸出擺幅，以補(bǔ)償?shù)谝患?jí)犧牲的擺幅，并進(jìn)一步提 升增益，從而克服了單級(jí)運(yùn)放增益與擺幅之間的矛盾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和大擺幅。因此利用兩級(jí)放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)放大器的思想在通用運(yùn)放的設(shè)計(jì)中被廣泛采用 。 而 兩級(jí)CMOS 運(yùn)算放大器用兩級(jí)結(jié)構(gòu)把增益和擺幅分開處理， 運(yùn)用第一級(jí)放大器得到高增益，可以犧 牲擺幅，第二級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)大輸出擺幅，以補(bǔ)償?shù)谝患?jí)犧牲的擺幅，并進(jìn)一步提升增益，從而克服了單級(jí)運(yùn) 算放大器 增益與擺幅之間的矛盾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益和大擺幅。因此這些電路的增益被限制在輸入對(duì)管的跨導(dǎo)與輸出阻抗的乘積。 因此，有必要對(duì)用 CMOS運(yùn)算放大器進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究。雙阱工藝是在高阻的硅襯底上，同時(shí)形成具有較高的雜質(zhì)濃度的 P阱和 N阱， NMOS管和 PMOS管分別做在這兩個(gè)阱中；這樣，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩種溝道 MOS管的參數(shù)，以使 CMOS電路達(dá)到最優(yōu)的特性，而且兩種器件之間的距離，也因采用獨(dú)立的阱而減小，以適合于高密度的集成，但其工藝比較復(fù)雜。 傳統(tǒng)的 CMOS IC工藝采用 P阱工藝，這種工藝中用來制作 NMOS管的 P阱，是通過向高阻 N型硅襯底中擴(kuò)散（或注入）硼而形成的 [3]。 在 CMOS電路中， P溝道 MOS管作為負(fù)載器件， N溝道 MOS管作為驅(qū)動(dòng)器件 ，這就要求在同一個(gè)襯底上制造 PMOS管和 NMOS管，所以必須把一種 MOS管做在襯底上，而另一種 MOS管在做比襯底濃度高的阱中。例如 PGA103A，通過控制 2腳的電平來改變放大的倍數(shù)。例如：有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為 10倍，輸入信號(hào)為 1mv時(shí)，輸出電壓為 10mv，當(dāng)輸入電壓為 ，輸出就只有 1mv，為了得到 10mv就必須改變放大倍數(shù)為 100。 可編程控制運(yùn)算放大器 在儀器儀表得使用過程中都會(huì)涉及到量程得問題。例如 D41 集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)177。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。 高壓大功率型運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器的輸出電壓主 要受供電電源的限制。18V ，消耗電流為 50~250μA。常用的運(yùn)算放大器有 TL022C、 TL060C等 ， 其工作電壓為 177。常見的運(yùn)放有 LM31 μA715 等其， SR=5070V/us， BWG＞ 20MHz。 高速型運(yùn)算放 大器 在快速 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器、 視頻放大器 中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR 一定要高，單位增益帶寬 BWG 一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。 常見的集成器件有 LF35 LF347（四 運(yùn)放）及更高輸 入阻抗的 CA31 CA3140等 。 實(shí) 現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn) ， 用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分 輸入級(jí)。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性 能指標(biāo)能適合于一般性使用。 （二）類型 按照 集成運(yùn)算放大器 的參數(shù)來分 ， 集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。 運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。 圖 運(yùn)算放大器 一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口 （ Out）和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及 差分放大器 。為了區(qū)別起見， a 端和 b 端分別用 “”和 “+”號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。也分別被稱為倒向輸入端、非倒向輸入端和輸出端 [2]?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎 所有的行業(yè)當(dāng)中。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。但 是 709 很快地被隨后而來的新產(chǎn)品 μA741取代， 741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。但是如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。今日的運(yùn)算放大器，無論是使用晶體管（ transistor）或真空管（ vacuum tube）、分立式（ discrete）元件 或集成電 路（ integrated circuits）元件， 運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。 運(yùn)算放大器發(fā)展歷史 第一個(gè)使用真空管設(shè)計(jì)的放大器大約在 1930年前后完成，運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)的基本建構(gòu)方塊。 集 成電路一般分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類，兩類電路的設(shè)計(jì)方法不盡相同。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在。由于早期應(yīng)用于 模擬計(jì)算機(jī) 中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名 “ 運(yùn)算放大器 ” ，此名稱一直延 用 至今。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 42 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1. 緒論 運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器概述 運(yùn)算放大器 [1]（常簡(jiǎn)稱為 運(yùn)放 ）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。 關(guān)鍵 詞 ： CMOS；運(yùn) 算放大 器； PSpice仿 真 ； 小信號(hào)放大 ； 頻率響應(yīng) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract With the development of CMOS technique, CMOS integrated circuits have bee the mainstream of integrated circuits techniques, due to its low cost, low power con