【正文】 使用卻沒有多大的區(qū)別。差分跨導(dǎo)級(jí)和高增益級(jí)可以視為第一級(jí)電路，輸出級(jí)視為第二級(jí)電路。每部分電路有其具體的電路拓?fù)?。主要作用是放大差模輸入信?hào)，并將其變?yōu)閱味诵盘?hào)傳給下一級(jí)。高增益級(jí) — 這一級(jí)的主要作用 是提高電壓增益。偏置電路 — 主要用于為每只晶體管建立適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)。 高精度運(yùn)算放大器的現(xiàn)狀 高精度集成運(yùn)放一般指運(yùn)放輸出電壓信號(hào)的精準(zhǔn)度，是以偏移電壓為判定標(biāo)準(zhǔn)， NS(美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 )定義偏移電壓低于 1mV 即屬高精度運(yùn)放，而 TI(德州儀器 )把偏移電壓低于‘算是高精度運(yùn)放。 盡管雙極型運(yùn)算放大器的技術(shù)發(fā)展的己經(jīng)比較成熟，其應(yīng)用也比較廣泛，但隨著 CMOS集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?nèi)栽诓粩嗵剿髦?CMOS技術(shù)來設(shè)計(jì)高性能的線性集成電路，特別是各種高性能的專用運(yùn)算放大器。在數(shù) /模混合超大規(guī)模集成電路中更是不可缺少的一個(gè)部分。其次， CMOS運(yùn)放電路占用的芯片面積只是同等功能雙極型運(yùn)算放大器的 1/3一 1/5。 一般運(yùn)放存在著增益低、高失調(diào)電壓和高失調(diào)電流等的問題，這樣就不能滿足工業(yè)中在信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)采集、信號(hào)測(cè)量上對(duì)微弱信號(hào)的精密模擬和準(zhǔn)確計(jì)算的需要，于是出現(xiàn)了許多高精度、低失調(diào)運(yùn)放電路。人們有時(shí)也稱它們?yōu)榈推萍蛇\(yùn)放和低噪聲集成運(yùn)放。它們綜合起來對(duì)集成運(yùn)放構(gòu)成直流輸入誤差信號(hào)。 第二章 CMOS 放大器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 器件的構(gòu)造和基本特性 管的結(jié)構(gòu)和卜 V 特性 結(jié)合所用的標(biāo)準(zhǔn)上華科技 (CSMC)模型參數(shù)，扼要介紹 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)以及 I 一 V特性。 MOS管的輸出特性的經(jīng)典描述就是薩氏飽和方程。式中吮 UGSUTH為 MOS管的“過驅(qū)動(dòng)電壓”，可一記為 UOD，其中 UTH為器件的閾值電壓 (即開啟電壓 )。W/L為寬長(zhǎng)比 。由此可見 ID的取值取決于工藝參數(shù) Cox、器件尺寸 W和 L、 UGS及 UDS。 (2)線性區(qū) (可變電阻區(qū) ): THGS UU ? 且 THGSDS UUU ???0 , ? ? ? ?? ?DSDSTHGSNDSDSTHGSOXD UUUUKUUULWC 22n 221ui ????????? ??? ? (2— 4) 而當(dāng) ? ?THGSDS UUU ??? 2 時(shí)稱 MOS 管工作在深度線性區(qū)，式（ 24）可近似表達(dá)為： ? ? DSTHGSND UUUK ?? 2i (2— 5) 式 (2一 5)表明 UDS較小時(shí)， io是 UDS的線性函數(shù)，即此時(shí) MOS管可等效為一個(gè)電阻，其阻值為 : ? ?THGSNDDS UUKU ??? 21ir on (2— 6) 式 (26)表明，處于深度線性區(qū)的 MOS 管可等效為一個(gè)受過驅(qū)動(dòng)電壓控制的可控電阻，即當(dāng)吮 s 一定時(shí)，溝道直流導(dǎo)通電阻可以近似為一個(gè)恒定的電阻。式 (2 一 l) 兩邊求導(dǎo)，可求出當(dāng)THGSDS UUU ?? 時(shí)，電流有最大值，其值為 : ? ? ? ? 22n21i THGSNTHGSOXD UUKUULWC ???? ? (2— 7) 這就是薩斯飽和方程。 由于 MOS 管工作在飽和區(qū)時(shí)，其電流受過驅(qū)動(dòng)電壓控制，所以可以定義一個(gè)性能系數(shù)來表示電壓轉(zhuǎn)換電流的能力。這個(gè)系數(shù)被稱為“跨導(dǎo)”，用 gm 來表示，其表達(dá)式為 : ? ?THGSOXD UULWC ????? nGSm uig ? (2— 8) 從某種意義上來講， gm 代表了器件的靈敏度 :對(duì)于一個(gè)大的 gm 來講， GSU 的一個(gè)微小的改變將會(huì)引起 Di 產(chǎn)生很大的變化。gm 也可以表示為 : DOX iLwCnm u2g ? （ 2— 9） gm 還可以表示為 : THGSDUU ?? i2g m (2— 10) 跨導(dǎo) gm 的這三個(gè)表達(dá)式 在研究 gm 隨某一參數(shù)變化 (其它參數(shù)保持不變 )的特性時(shí)是有用的。因?yàn)?MOS 器件進(jìn)入線性區(qū)時(shí)，跨導(dǎo)將下降，所以 MOS 器件作放大應(yīng)用時(shí)，應(yīng)使 MOS 管工作在飽和區(qū)。 當(dāng)DSDS BUU ? ( DSBU 為 MOS 管的擊穿電壓 )時(shí)，稱為擊穿區(qū)，這是需要避免的區(qū)域。J值區(qū)特性將在后面二級(jí)效應(yīng)中詳細(xì)說明。但在實(shí)際的模擬電路中，由于 MOS 器件制作在同一襯底上，就不 能把所有的 MOS 管的源極與公共襯底相連接，即 0?BSU ,例如，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中 NMOS管的源極電位有時(shí)候就會(huì)高于襯底電位 (仍能保證源極與漏極與襯底之間保持為反偏，使器件正常工作 )。若在 0?BSU 時(shí)， THGS UU ? 便出現(xiàn) N 溝道，那么在 0?BSU 時(shí)，就需要 THGS UU ? 才能出現(xiàn) N 溝道，即此時(shí)開啟電壓值隨著襯底與源極之間的負(fù)偏壓的數(shù)值增加而增加。 產(chǎn)生體效應(yīng)并不需要改變襯底電壓 subU :源電壓相當(dāng)于 subU 發(fā)生改變會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。 (2)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) 由式 (2 一 7)可知，當(dāng) 0??? THGSDS UUU 時(shí)，器件工作在飽和區(qū)，漏極電流相對(duì)恒定，為一常數(shù)。這種現(xiàn)象稱為“溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)”。因此，對(duì)于較長(zhǎng)的溝道，義值較小。 管的小信號(hào)模型 利用大信號(hào)模型得到靜態(tài)工作點(diǎn)后，可以利用小信號(hào)模型簡(jiǎn)化計(jì)算工作，如圖 所示。 小信號(hào)模型的各項(xiàng)參數(shù)都依賴于大信號(hào)模型參數(shù)和直流變量。 管的噪聲及其對(duì)精度的影響 管的熱噪聲和等效電路 MOS 管的熱噪聲主要是由 MOS 管的溝道造成的。 電流功率譜密度為 : m2 g4i ?KTD ? （ 2— 14） （ a） MOS 管熱噪聲模型 （ b） MOS 等效模型 圖 MOS 管熱噪聲分析 其中， k 為波爾茲曼常量， ? 與工藝有關(guān)的系數(shù)，約為 2/3。電壓噪聲源的功率譜密度為 : mn2 g/k4u ?T? （ 2— 15） 從上面的分析還可以得到一個(gè)重要結(jié)論，即系統(tǒng)的噪聲功率和系統(tǒng)信號(hào)的輸入位置是 無關(guān)的。 第三章 CMOS 運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)與基本結(jié)構(gòu) 運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器是一種具有極高增益的電壓放大器。標(biāo)一識(shí)為“ +”和“一”符號(hào)的輸入端分別代表同相和反相輸入端。 理想運(yùn)算放大器 在理想情況下，運(yùn)算放大器具有無限大的差模電壓增益、無限大的輸入電阻和零輸出電阻。圖中， DU 是差分輸入電壓，即為兩個(gè)輸入端的電壓差值 : NPD UUU ?? (3— 1) uA 是運(yùn)算放大器的增益，也叫做無載增益，因?yàn)楫?dāng)輸出不加負(fù)載時(shí)有 : ? ?NPD UUAUAU ??? uu0 (3— 2) 從圖 3 一 2 可以看出，理想的運(yùn)算放大器是一個(gè)壓控電壓源。首先加入輸入電阻R:、輸入電容 CI 和輸出電阻 R。其次加入了 輸入失調(diào)電壓 OSU ，級(jí)運(yùn)算放大器輸出為零時(shí)，同相輸入端和反相輸入端之間的電壓差。運(yùn)算放大器的噪聲通過均方電壓源 n2u 和均方電流源 n2i 等效，單位分別是均方伏特和均方安培，因?yàn)樵肼暿峭ㄟ^能量譜計(jì)算出來的，因此沒有極性，并且假設(shè)噪聲之間總是相加的。但是，實(shí)際運(yùn)算放大器的性能只能接近于這些值。 ? 2021就能滿足應(yīng)用需要。圖 給出相應(yīng)的運(yùn)算放大器的符號(hào)。在亞微米器件的微安級(jí)典型電流條件下，其增益很難超過 20，和理想運(yùn)放的性能還有較大的差距。 運(yùn)算放大器性能指標(biāo) 開環(huán)增 益 運(yùn)放開環(huán)電壓增益 uoA 是指在開環(huán)狀態(tài)以及標(biāo)稱電源電壓和額定的負(fù)載電阻下，對(duì)輸入差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)。 開環(huán)帶寬和增益帶寬積 在小信號(hào)激勵(lì)下，運(yùn)放開環(huán)電壓增益會(huì)隨頻率的增加而下降。而增益帶寬積則是指當(dāng) 20 uoAlog 降到零時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，開環(huán)電壓增益隨頻率的變化規(guī)律如圖 所示。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定， H? 必須在 H?? 達(dá)到 0180? 之前下降至 1。一般情況下，運(yùn)放的相位裕度要求不低于 045 ，但此時(shí)閉環(huán)頻率響應(yīng)在 1???還是有 倍的頻率峰 ,一般設(shè)計(jì)時(shí)，取 060?PM ，可證明此時(shí)的頻率峰已可忽略。共模抑制比的定義為運(yùn)算放大器差分輸入增益與共模增益的比值的絕對(duì)值，即 : CMAACMRR /u? (3— 4) 差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，放大電路的性能越優(yōu)良，因此希望 CMRR 值越大越好。把從運(yùn)算放大器輸入到輸出的增益除以電源到輸出的增益定義為運(yùn)算放大器的電源抑制比。 功耗 由于越來越多運(yùn)算放大電路應(yīng)用于便攜式設(shè)備以及電池電源供電，電路的功耗就值得關(guān)注了。 所以減小功耗能夠使得系統(tǒng)更加精簡(jiǎn)，也使得電源的壽命更長(zhǎng)久，而且也能使得芯片在一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ?。但事?shí)上，由于輸入級(jí)存在失配，輸出電壓 并不為零，這種由輸入級(jí)的失配引起的反應(yīng)被稱為隨機(jī)失調(diào)。計(jì)算運(yùn)放的失調(diào)電壓可以建立一個(gè)模型即在一個(gè)無失調(diào)電壓的