全差分运放应用信息
高速全差分运放应用技术
全差分运放应用信息
（1）电阻匹配电阻匹配――――――高精度电阻要求及高精度电阻要求及Vocm 滤波要求
（2）数据转换数据转换――――――应用之一应用之一
（3）驱动容性负载
补充：
（4）抗混叠滤波器
全差分运放工作原理
计算公式
差分运放与全差分运放区别 计算公式
（1）差分运放与全差分运放区别
单端输入//差分输出
差分输出
差分输入模式，
，单端输入
，差分输入模式
（2）两种工作模式
两种工作模式，
全差分运放的优势
（3）全差分运放的优势
（4）仪表放大电路仪表放大电路
差分-运放-运算放大器
差分接法:差分放大电路（图3.8a.4）的输入信号是从集成运放的反相和同相输入端引入，如果反馈电阻RF等于输入端电阻R1 ，输出电压为同相输入电压减反相输入电压，这种电路也称作减法电路。 图3.8a.4 差分放大电路 差分放大器 如图所示，通过采用两个输入，该差分放大器产生的输出等于U1和U2之差乘以增益系数
运算放大器的单电源供电方法 大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5～+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5～±12V双电源供电状态下工作。 在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。 该电路的增益Avf＝－RF／R1。R2＝R3时，静态直流电压Vo(DC)＝1／2Vcc。耦合电容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于C1)或负载(对于C2)来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。一般来说，R2＝R3≈2RF。 图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十V3)。需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。
运放参数详解-超详细
运放参数的详细解释和分析1—输入偏置电流和输入失调电 流 一般运放的datasheet中会列出众多的运放参数，有些易于理解，我们常关注，有些可能会被忽略了。在接下来的一些主题里，将对每一个参数进行详细的说明和分析。力求在原理和对应用的影响上把运放参数阐述清楚。由于本人的水平有限，写的博文中难免有些疏漏，希望大家批评指正。 第一节要说明的是运放的输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .众说周知，理想运放是没有输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .的。但每一颗实际运放都会有输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .我们可以用下图中的模型来说明它们的定义。 输入偏置电流Ib是由于运放两个输入极都有漏电流（我们暂且称之为漏电流）的存在。我们可以理解为，理想运放的各个输入端都串联进了一个电流源，这两个电流源的电流值一般为不相同。也就是说，实际的运入，会有电流流入或流出运放的输入端的（与理想运放的虚断不太一样）。那么输入偏置电流就定义这两个电流的平均值，这个很好理解。输入失调电流呢，就定义为两个电流的差。
说完定义，下面我们要深究一下这个电流的来源。那我们就要看一下运入的输入级了，运放的输入级一般采用差分输入（电压反馈运放）。采用的管子，要么是三级管bipolar，要么是场效应管FET。如下图所示，对于bipolar,要使其工作在线性区，就要给基极提供偏置电压，或者说要有比较大的基极电流，也就是常说的，三极管是电流控制器件。那么其偏置电流就来源于输入级的三极管的基极电流，由于工艺上很难做到两个管子的完全匹配，所以这两个管子Q1和Q2的基极电流总是有这么点差别，也就是输入的失调电流。Bipolar输入的运放这两个值还是很可观的，也就是说是比较大的，进行电路设计时，不得不考虑的。而对于FET输入的运放，由于其是电压控制电流器件，可以说它的栅极电流是很小很小的，一般会在fA级，但不幸的是，它的每个输入引脚都有一对ESD保护二极管。这两个二极管都是有漏电流的，这个漏电流一般会比FET的栅极电流大的多，这也成为了FET 输入运放的偏置电流的来源。当然，这两对ESD保护二极管也不可能完全一致，因此也就有了不同的漏电流，漏电流之差也就构成了输入失调电流的主要成份。
全差分运算放大器设计
全差分运算放大器设计 岳生生（200403020126） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11 1357 113 51 3 57 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=-+ 第二级增益 9 2 2 9112 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- + 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r = = ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：
采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计
目录 1. 设计指标 (1) 2. 运算放大器主体结构的选择 (1) 3. 共模反馈电路（CMFB）的选择 (1) 4. 运算放大器设计策略 (2) 5. 手工设计过程 (2) 5.1 运算放大器参数的确定 (2) 5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2) 5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3) 5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3) 5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3) 5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3) 5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3) 5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4) 5.1.8 确定偏置电压 (4) 5.2 CMFB参数的确定 (4) 6. HSPICE仿真 (5) 6.1 直流参数仿真 (5) 6.1.1共模输入电压范围（ICMR） (5) 6.1.2 输出电压范围测试 (6) 6.2 交流参数仿真 (6) 6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6) 6.2.2 共模抑制比（CMRR）的仿真 (7) 6.2.3电源抑制比（PSRR）的仿真 (8) 6.2.4输出阻抗仿真 (9) 6.3瞬态参数仿真 (10) 6.3.1 转换速率（SR） (10) 6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11) 7. 设计总结 (11) 附录（整体电路的网表文件） (12)
采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计 1. 设计指标 5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V V V V V V GB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mW μ>==?== >=±=?≤的范围 2. 运算放大器主体结构的选择 图1 折叠式共源共栅两级运算放大器 运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看, 有套筒 式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。本设计采用的是如图1所示的折叠式共源共栅两级运算放大器，采用折叠式结构可以获得很高的共模输入电压范围，与套筒式的结构相比，可以获得更大的输出电压摆幅。 由于折叠式共源共栅放大器输出电压增益没有套筒式结构电压增益那么高，因此为了得到更高的增益，本设计采用了两级运放结构，第一级由M0-M10构成折叠式共源共栅结构，第二级由M11-M14构成共源级结构，既可以提高电压的增益，又可以获得比第一级更高的输出电压摆幅。 为了保证运放在闭环状态下能稳定的工作，本设计通过米勒补偿电容Cc 和调零电阻Rz 对运放进行补偿，提高相位裕量！ 另外，本文设计的是全差分运算放大器，与单端输出的运算放大器相比较，可以获得更高的共模抑制比，避免镜像极点及输出电压摆幅。 3. 共模反馈电路（CMFB ）的选择 由于采用的是高增益的全差分结构，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差动反馈来达到稳定，因此，必须增加共模反馈电路（CMFB ）来检测两个输出端
差分运算放大器基本知识
一．差分信号的特点： 图1 差分信号 1.差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号 V ocm 为中心，如图1所示。差分信号包含差模信号和公模信号两个部分， 差模与公模的定义分别为：Vdiff=(V out+-V out- )/2，Vocm=(V out+ +V out- )/2。 2.差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图1，绿色表示的是单端信号的摆 幅，而蓝色表示的是差分信号的摆幅。所以在同样电源电压供电条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围。 3.差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。In a differential system, keeping the transport wires as close as possible to one another makes the noise coupled into the conductors appear as a common-mode voltage. Noise that is common to the power supplies will also appear as a common-mode voltage. Since the differential amplifier rejects common-mode voltages, the system is more immune to external noise. 4.差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。 Differential systems provide increased immunity to external noise, reduced even-order harmonics, and twice the dynamic range when compared to signal-ended system. 二．分析差分放大器电路 图2.差分放大器电路分析图
运放的主要参数
集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏臵电流、输入失调电流、输入偏臵电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰最大差模输入电压。 主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。 1、输入失调电压VIO（Input Offset Voltage）输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。 输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±1~10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。 2、输入失调电压的温漂αVIO（Input Offset Voltage Drift） 输入失调电压的温度漂移（又叫温度系数）定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。 3、输入偏臵电流IB（Input Bias Current） 输入偏臵电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏臵电流平均值。输入偏臵电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏臵电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏臵电流在±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏臵电流一般低于1nA。对于双极性运放，该值离散性很大，但几乎不受温度影响；而对于MOS型运放，该值是栅极漏电流，值很小，但受温度影响较大。 4、输入失调电流（Input Offset Current）输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏臵电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电流大约是输入偏臵电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。 5、输入阻抗 （1）差模输入阻抗差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。 （2）共模输入阻抗共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。 6、电压增益 （1）开环电压增益（Open-Loop Gain）在不具负反馈情况下(开环路状况下)，运算放大器的放大倍数称为开环增益，记作AVOL，有的datasheet上写成：Large Signal Voltage Gain。AVOL 的理想值为无限大，一般约为数千倍至数万倍，其表示法有使用dB及V/mV等。 （2）闭环电压增益（Closed-Loop Gain顾名思义，就是在有反馈的情况下，运算放大器的放大倍数、
实验课7 全差分运放的仿真方法
CMOS模拟集成电路 实验报告
实验课7 全差分运放的仿真方法 目标： 1、了解全差分运放的各项指标 2、掌握全差分运放各项指标的仿真方法,对全差分运放的各指标进行仿真，给出各指标的 仿真结果。 本次实验课使用的全差分运放 首先分析此电路图，全差分运算放大器是一种具有差分输入，差分输出结构的运算放大器。其相对于单端输出的放大器具有一些优势：因为当前的工艺尺寸在减少，所以供电的电源电压越来越小，所以在供电电压很小的情况下，单端输出很难理想工作，为了电路有很大的信号摆幅，采用类似上图的全差分运算放大器，其主要由主放大器和共模反馈环路组成。 1、开环增益的仿真 得到的仿真图为
1.开环增益：首先开环增益计算方法是低频工作时(<200Hz) ，运放开环放大倍数；通过仿真图截点可知增益为73.3db。 2.增益带宽积：随着频率的增大，A0会开始下降，A0下降至0dB 时的频率即为GBW，所以截取其对应增益为0的点即可得到其增益带宽积为1.03GB。 3.相位裕度：其计算方法为增益为0的时候对应的VP的纵坐标，如图即为-118，则其相位裕度为-118+180=62，而为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB 时，相位的移动应小于180 度，一般取余量应大于60度，即相位的移动应小于120 度；所以得到的符合要求。 在做以上仿真的时候，关键步骤 在于设定VCMFB，为了得到大的增益，并且使相位裕度符合要求，一直在不停地改变VCMFB，最初只是0.93,0.94,0.95的变化，后来发现增益还是远远不能满足要求，只有精确到小数点后4为到5位才能得到大增益。 2.CMRR 的仿真 分析此题可得共模抑制比定义为差分增益和共模增益的比值，它反映了一个放大器对于共模信号和共模噪声的抑制能力。因此需要仿真共模增益和差分增益。可以利用两个放大器，一 个连成共模放大，一个连成差模放大，
全差分运算放大器设计
全差分运算放大器设计 岳生生（0126） 一、设计指标 以上华CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： 直流增益：>80dB 单位增益带宽：>50MHz 负载电容：＝5pF 相位裕量：>60度 增益裕量：>12dB 差分压摆率：>200V/us 共模电压：(VDD=5V) 差分输入摆幅：>±4V 运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的 ,DSAT N V 之和小于，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于。对于单 级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 性能指标分析 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 1 1 1 3 5 7 1 1 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益9 2 2 9 11 2 9 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=-+P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ： 1）、输入级： max 1max |2| Cc out DS C C d SR dt I v I C C = = = 单位增益带宽1m u C g C ω= ，可以得到 1m C u g C ω =
差分运放运算放大器
图3.8a.4 差分放大电路 差分放大器 如图所示，通过采用两个输入，该差分放大器产生的输出等于U1和U2之差乘以增益系数 运算放大器的单电源供电方法 大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5～+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5～±12V双电源供电状态下工作。 在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。 该电路的增益Avf＝－RF／R1。R2＝R3时，静态直流电压Vo(DC)＝1／2Vcc。耦合电容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于C1)或负载(对于C2)来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。一般来说，R2＝R3≈2RF。 图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十V3)。需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。 思考题(1)图3是一种增益为10、输入阻抗为10kΩ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kΩ的单电源反相放大器电路。该电路的不失真输入电压的峰—峰值是多少呢?(提示：一般运算放大器的典型输入、输
运算放大器主要参数测试方法说明1
通用运算放大器主要参数测试方法说明 1. 运算放大器测试方法基本原理 采用由辅助放大器（A）与被测器件（DUT）构成闭合环路的方法进行测试，基本测试原理图如图1所示。 图1 辅助放大器应满足下列要求： (1) 开环增益大于60dB； (2) 输入失调电流和输入偏置电流应很小； (3) 动态范围足够大。 环路元件满足下列要求： (1) 满足下列表达式 Ri·Ib＜Vos R＜Rid R·Ib ＞Vos Ros＜Rf＜Rid R1＝R2 R1＞RL 式中：Ib：被测器件的输入偏置电流； Vos：被测器件的输入失调电压； Rid：被测器件的开环差模输入电阻； Ros：辅助放大器的开环输出电阻； (2) Rf/ Ri值决定了测试精度，但须保证辅助放大器在线性区工作。
2.运算放大器测试适配器 SP-3160Ⅲ数/模混合集成电路测试系统提供的运算放大器测试适配器便是根据上述基本原理设计而成。它由运放测试适配板及一系列测试适配卡组成，可以完成通用单运放、双运放、四运放及电压比较器的测试。运算放大器适配器原理图如附图所示。 3．测试参数 以OP-77G为例，通用运算放大器主要技术规范见下表。
3.1 参数名称：输入失调电压Vos (Input Offset Voltage)。 3.1.1 参数定义：使输出电压为零（或规定值）时，两输入端间所加的直流补偿 电压。 3.1.2 测试方法: 测试原理如图2 所示。 图2 (1) 在规定的环境温度下，将被测器件接入测试系统中； (2) 电源端施加规定的电压； (3) 开关“K4”置地（或规定的参考电压）； (4) 在辅助放大器A的输出端测得电压Vlo； (5) 计算公式： Vos=(Ri/(Ri+Rf))*VLo 。 3.1.3编程举例：（测试对象：OP-77G,测试系统：SP3160） ----测试名称:vos---- 测量方式:Vos Bias 1=-15.000 V Clamp1=-10.000mA Bias 2=15.000 V Clamp2=10.000mA 测量高限=0.0001 V 测量低限=____ V 测量延迟:50mS 箝位延迟:50mS SKon=[0,4,11,12,13,19,23,27] 电压基准源2电压=0V 电压基准源2量程+/-2.5V 电压基准源3电压=0V 电压基准源3量程+/-2.5V 测试通道TP1 测量单元DCV DCV量程:+/-2V
全差分运算放大器设计说明
全差分运算放大器设计 岳生生（6） 一、设计指标 以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下： ?直流增益：>80dB ?单位增益带宽：>50MHz ?负载电容：＝5pF ?相位裕量：>60度 ?增益裕量：>12dB ?差分压摆率：>200V/us ?共模电压：2.5V (VDD=5V) ?差分输入摆幅：>±4V 二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N V 之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS 管的 ,DSAT P V 之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该 要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。 三、性能指标分析 1、 差分直流增益 (Adm>80db) 该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益 1 3 5 11135711 3 5 1 3 5 7 5 3 ()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g g g g G A R r r r r g g r r r r =-=-=- +P 第二级增益 9 2 291129 9 11 ()m o o o m m o o g g G A R r r g g =-=-=- +P 整个运算放大器的增益： 4 1 3 5 9 1 2 1 3 5 7 5 3 9 11 (80)10m m m m overall o o o o m m o o dB g g g g A A A g g g g r r r r == ≥++ 2、 差分压摆率 （>200V/us ） 转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR ：
最新运算放大器设计总结
运算放大器的基本参数 1. 开环电压增益A OL 不带负反馈的状态下，运算放大器对直流信号的放大倍数。电压反馈运算放大器采用电 压输入/电压输出方式工作，其开环增益为无量纲比，所以不需要单位。但是，数值较小时，为方便起见，数据手册会以V/mV或V/ yV代替V/V表示增益，电压增益也可以dB形式表示，换算关系为dB = 20 xiogAVOL。因此，1V/ ^V的开环增益相当于120 dB，以此类推。该参数与频率密切相关，随着频率的增加而减小，相位也会发生偏移。 对于反向比例放大电路，只有当AOL >> R+Rf时，Vo=-Rf/RVi才能够成立。 Frequency (Hz) 2. 单位增益带宽B1 (Gain-Bandwidth Product) 开环电压增益大于等于 1 (OdB )时的那个频率范围，以Hz为单位。它将告诉你将小 信号(?土100mV )送入运放并且不失真的最高频率。在滤波器设计电路中，假定运放滤波器增益为 1V/V，则单位增益带宽大于等于滤波器截止频率f cut-off x 100。 3.共模抑制比CMRR 差分电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，CMRR=|Ad/Ac|。共模输入电压会影响到 输入差分对的偏置点。由于输入电路内部固有的不匹配，偏置点的改变会引起失调电压改变， 进而引起输出电压改变。其实际的计算方法是失调电压变化量比共模电压变化量，一般来说CMRR= △ Vos/ △ Vcom , TI及越来越多的公司将其定义为CMRR= △ Vcom/ △ Vos。在datasheet中该参数一般为直流参数，随着频率的增加而降低。
CCMMDN-MODE REJECTION RATIO vt. FREQUENCY 4. 输入偏置电流Ibias 输入偏置电流被定义为：运放的输入为规定电位时，流入两个输入端的电流平均值。记为IB。为了运放能正常的工作，运放都需要一定的偏置电流。IB=(IN+IP)/2。 当信号源阻抗很高时，就必须关注输入偏流，因为如果运放有很大的输入偏流，就会对信号源构成负载，因而会看到一个比预想要低的信号源输出电压，如果信号源阻抗很高，那 么最好使用一个以CMOS或者JFET作为输入级的运放，也可以采用降低信号源输出阻抗的方法，就是使用一个缓冲器，然后用缓冲器来驱动具有很大输入偏流的运放。 在双级输入级的情况下，可以使用对失调电流进行调零的方法，就是使从两个输入端看到的阻抗相互匹配。在CMOS和JFET输入电路的情况下，一般来说，失调电流不是问题，也没有必要进行阻抗匹配了。 5. 输入失调电流Ios 当运放的输出端置于规定电位时，流入运放两个输入端的电流之差的绝对值。 I OS=|IN-IP| 6. 电源抑制比PSRR 电源电压的改变量与由此引起的输入失调电压改变量之比的绝对值，单位是dB。对于双电源运放，PSSR= △ V cc士/ △ V os士。PSSR随着频率的增加而下降。开关电源产生的噪声频率从50kHz到500kHz或更高，在这些高频下，PSSR的值几乎为零，所以，电源上的 噪声会引起运放输出端上的噪声，对此必须使用恰当的旁路技术。
采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算放大器的设计
采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算放 大器的设计 “随着数／模转换器（DAC）、模／数转换器（ADC）的广泛应用，高速运算放大器作为其 部件受到越来越广泛的关注和研究。速度和 是模拟集成电路的2个重要指标，然而速度的提高取决于运放的单位增益带宽及单极点特性并相互制约，而 则与运放的直流增益密切相关。在实际应用中需要针对运放的特点对这2个指标要进行折衷考虑。 1运放结构与选择 根据需要，本文设计运算放大器需要在较低的电压下能有大的转换速率、快的建立时间，同时要折衷考虑增益与频率特性及共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR）等性能。 常见的用于主运放设计的结构大致可分3种：两级式（TwoStage）结构、套简式共源共栅（TelescopicCascode）结构及折叠式共源共栅（FoldCascode）结构。两级式结构的第1级可提供高的直流增益，而第2级提供大的输出摆幅。但由于第2级电流很大，故使得运放功耗大大增加，同时由于级联而多产生一个非主极点，速度及带宽都有所降低，需进行频率补偿，这样不仅增加的设计复杂度还会大大影响运放的速度；套简式共源共栅结构由于只有2条支路，功耗为三者 ，频率特性 ，但由于需要层叠多级管子，导致输出摆幅很低，在低电压工作下很难正常工作，并且输入输出端不能短接；而折叠式共源共栅结构的各参数特性介于前两者之间，增益基本与套简式共源共栅相同而低于两级运放，虽为4条支路，功耗及频率特性均远好于两级运
放，输出摆幅大于套筒式共源共栅结构，输入输出可以短接且输入共模电平更容易选取并可接近电源供给的一端电压。经综合考虑，本设计采用折叠式共源共栅结构作为主运放。 2主运放分析 2．1全差分折叠式共源共栅 全差分运放即指输入和输出都是差分信号的运放，其优点为能提供更低的噪声，较大的输出电压摆幅和共模抑制比，可较好地抑制谐波失真的偶数阶项等。虽然NMOS管中载流子迁移率较大，作为输入器件可达到更高的增益，但付出的代价是折叠点上的极点更低而导致相位裕度下降且噪声更大。综合考虑，本设计采用PMOS管为输入管的共源共栅结构。如图1所示，PMOS管M0为偏置电流源，输入管M1，M2将在M0提供的固定偏置电流作用下，将差分输入电压转化为差分电流，经过共源共栅管M5，M6的作用下再产生差分输出电压Vout1与Vout2。而层叠的PMOS对管M7，M8与M9，M10起到了稳定输出电平与提高增益的作用。
运放的一些常用参数的分析
共模抑制比(CMRR) 如果没有输入失调电压的话,运算放大器只对两个正负输入管脚之间的电压差作出响应,即,()N P o v v a v -=,实际上运算放大器对共模输入电压2 N P CM v v v +=也稍微有点敏感。因此实际的传递特性为()o P N CM CM v a v v a v =-+，其中a 为差模电压增益，CM a 为共模电压增益。将上面的式子可以改写为()/o P N CM CM v a v v a a v =-+????的形式，然后就得到共模抑制比CMRR 为/CM a a 从而得到 CM o p N v v a v v CMRR ??=-+ ?? ? 上面的式子表明CM v 对o v 的影响可以用输入失调电压表示，随着CM v 的变化，其对输出电压的影响也在发生变化，由此产生了共模灵敏度，但是可以通过数学的计算将CMRR 和os v 区分开来，因此可以将CMRR 重新定义为： 1os CM V CMRR v ?=? 可以将上面的式子解释为对于1V 的CM v 的变化对于输出os V 发生的变化。 由于杂散电容的作用，CMRR 会随着输入信号频率的升高而变差（变小）。一般来讲从直流到几百赫兹的范围内CMRR 都是高的，但是随着频率的升高CMRR 将按20/dB dec - 的速度减小。 在数据手册中CMRR 通常用分贝的形式给出，例如在741的数据手册中90dB CMRR dB =典型值，70dB 最小值，这表明os V 随CM v 的变化速率为 902011031.6/V V CMRR μ-==典型值，702010316/V V μ-=最大值，在高频的CMRR 的数据要看数据手册上图表。 既然运算放大器能够使得P v 与N v 相当的接近，于是可以得到CM P v v ?，所以在反相放大器中由于0P v ?所以此时可以不用考虑CMRR 对输出的影响，但是当两个输入端都不为零的时候（例如在仪表放大器中），CMRR 就要仔细的考虑。 供电电源抑制比（PSRR ） 如果将运算放大器供电电压s V 的变化给定一个值s V ?，那么由于供电电压的变化那么将会影响到晶体管的工作点，这样电源电压的变化就会反映到输出中来，与CMRR 类似，可以用对输出失调电压的变化量来反映电源电压的变化对输出的影响，即供电电源抑制比
全差分两级放大电路
综合课程设计研究报告 课题名称：全差分两级运放 研究人员： 指导教师：王向展宁宁 201 年1月1日 微电子与固体电子学院
目录 一、绪论 (1) （一）研究工作的背景与意义 (1) （二）国内外现状分析 (1) 二、研究目标、研究内容与技术指标 (1) （一）研究目标 (2) （二）研究内容 (2) （三）关键技术 (2) （四）技术指标 (3) 三、电路工作原理 (3) （一）电路结构理论 (4) （二）关键电路模块 (4) （三）非理想效应 (5) 四、电路设计与仿真 (6) （一）电路设计方案 (6) （二）电路设计结构 (9) （三）电路仿真及结果 (10) 五、全文总结与展望 (12) 参考文献 (13)
一、绪论 （一）研究工作的背景与意义 随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。另外，全差分输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。因此，本文讨论并设计了满足一定要求的全差分运算放大器。 （二）国内外现状分析 从第一颗运算放大器IC问世到现在，运算放大器技术已经在半导体制造工艺和电路设计两方面取得了巨大进展。在大约40年的发展过程中，IC制造商们利用上述先进技术设计出了近乎“完美”的放大器。虽然什么是理想放大器很难有一个精确定义，但它却为模拟设计工程师提供了一个目标。理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压，它还应该不受封装尺寸限制，不占用空间。上述这些，都是许多教科书为了得到简单的传递函数而做出的种种假设。 未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一,便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长;其二,高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器;其三,由于性能和价格压力持续上扬,因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。测试和测量、通信、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力;DSL和消费类视频应用是最大的市场,而且未来将继续此趋势。其中,DSL运放的增长点主要在于线路驱动器。而整合了滤波、多路技术以及DC恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。从应用的角度讲,不同的系统对运放有不同要求,选择合适的运放对于系统设计至关重要。对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用,交流特性极为重要。但对于低速的高精度系统,直流方面的特性则通常更为重要。衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等;而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。
全差分CMOS运算放大器的设计毕业设计
CMOS运算放大器的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
几种常用集成运算放大器的性能参数
几种常用集成运算放大器的性能参数 1．通用型运算放大器 A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。μ通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例 2．高阻型运算放大器 ，IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。Ω这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid＞（109~1012） 3．低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4．高速型运算放大器 s，BWG＞20MHz。μA715等，其SR=50~70V/μ在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、 5．低功耗型运算放大器 W，可采用单节电池供电。μA。目前有的产品功耗已达微瓦级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10μ由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250 6．高压大功率型运算放大器 A791集成运放的输出电流可达1A。μ运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V， 集成运放的分类 1. 通用型 这类集成运放具有价格低和应用范围广泛等特点。从客观上判断通用型集成运放，目前还没有明确的统一标准，习惯上认为，在不要求具有特殊的特性参数的情况下所采用的集成运放为通用型。由于集成运放特性参数的指标在不断提高，现在的和过去的通用型集成运放的特性参数的标准并不相同。相对而言，在特性
全差分运放实验
两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真 (2) 1、软件的安装 (2) 1.1 Cadence orcad的安装 (2) 1.2 Hspice的安装 (2) 1.3Cosmos Scope的安装 (2) 2、实验要求 (2) 3、电路图手工计算 (3) 3.1 运放主结构计算 (3) 3.2 偏置电路 (5) 3.3 共模反馈电路 (7) 4、使用Orcad绘制电路图 (7) 5、电路仿真 (11) 6、仿真结果查看 (13) 7、其他性能参数的仿真 (15)
两级CMOS全差分运算放大器的设计和仿真 1、软件的安装 在该试验中要用到三个软件，分别为Cadence orcad（绘制电路图与网表提取工具），Hspice （电路仿真工具）和Cosmos Scope（仿真结果查看工具）。所有用到的软件安装程序均放在D盘EDA文件夹中。 1.1 Cadence orcad的安装 打开D盘中的\eda\OrCad9.23，点击Setup.exe，点击下一步，到输入Install Code步骤，打开Crack文件夹中的Install.tex文件，将Orcad Capture后面的码复制到Install Code里，然后点击下一步。直至安装完毕。 1.2 Hspice的安装 打开D盘eda\hspice_vA-2008.03，点击Hspice的安装程序进行安装，均点击下一步，直至安装结束。然后将该文件夹中的hspice2008.lic文件拷贝到C:\synopsys\Hspice_A-2008.03下。 右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量（如果只想让管理员用，则是administrator的用户变量）/新建/变量名lm_license_file 变量值就是license文件的路径，/hspice2008.lic，也就是变量值为C:\synopsys\Hspice_A-2008.03\hspice2008.lic 然后确定。 1.3Cosmos Scope的安装 打开D盘eda\cosmos2007\HSpice_CosmosScope_Z-2007.03-SP1_win，点击安装程序进行安装。 然后将eda\cosmos2007\hspice-license文件夹中的cosmos2007.dat文件拷贝到C:\synopsys\Z-2007.03-SP1文件加下。 右键点击电脑桌面我的电脑/属性/高级/环境变量/系统变量，点击刚才新建的变量，也就是lm_license_file，在先前输入的变量值后面，输入分号，然后输入C:\synopsys\Z-2007.03-SP1\cosmos2007.dat，也就是Hspice和Cosmos两者的变量值用分号隔开。 2、实验要求 在本实验中，要求所设计的运算放大器采用5V电源电压，负载电容为5pF，满足直流增益>80dB，单位增益带宽>20MHz，相位欲度大于60度，差分压摆率（slew rate）>100V/us。