跨导运算放大器设计实例

运算放大器的可用输出摆幅范围计算及跨阻放大器的设计

运算放大器的可用输出摆幅范围计算及跨阻放大器的设计全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：运算放大器是一种常见的电子元件，用于放大电压信号。

它具有高输入阻抗、低输出阻抗、无论输入信号大小如何都保持固定的放大倍数等特点，因此被广泛应用在各种电路中。

在设计电路时，我们经常需要计算运算放大器的可用输出摆幅范围，以确保信号能够正常放大并输出。

本文将介绍如何计算运算放大器的可用输出摆幅范围，并结合跨阻放大器的设计原理，为读者详细解析如何设计一个跨阻放大器。

让我们来了解一下运算放大器的可用输出摆幅范围的计算方法。

在实际电路中，运算放大器有一个工作范围，超出这个范围就会导致输出失真或截断。

可用输出摆幅范围指的是在输入信号范围内，输出能够正常工作的幅度范围。

一般来说，运算放大器的输出摆幅范围取决于供电电压和输入信号的幅度。

在理想情况下，运算放大器的输出范围可以达到供电电压的极限值。

如果供电电压为+10V和-10V，那么理想情况下运算放大器的输出范围为+10V到-10V。

但是在实际应用中，由于运算放大器内部的饱和效应、风险电平等因素的影响，实际的输出摆幅通常小于供电电压的极限值。

我们需要通过计算来确定具体的可用输出摆幅范围。

一般来说，可以通过运算放大器的数据手册来查找具体的参数，比如输入失真电压、输出摆幅等。

根据这些参数，可以利用以下公式来计算运算放大器的可用输出摆幅范围：可用输出摆幅范围= Vcc - VsatVcc为正供电电压，Vsat为输出饱和电压。

通常情况下，Vsat的值在数据手册中可以查到，一般为几毫伏。

还需要考虑输出负载的影响。

输出负载的存在会导致输出电压下降，从而影响运算放大器的可用输出摆幅范围。

在实际设计中，还需要考虑输出负载的大小，以确保输出电压不会受到明显的影响。

接下来我们将结合跨阻放大器的设计原理，来详细介绍如何设计一个跨阻放大器。

跨阻放大器是一种常见的放大电路，通过改变输入电阻的方式来实现放大功能。

具有恒定跨导的RAIL-TO-RAILCMOS运算放大器设计指导

具有恒定跨导的Rail-to-Rail CMOS运算放大器设计指导陈斯(徐州师范大学物理系电子科学教研室)注：文章中有很多关于MOS方面的基础知识，可能对于你们来说比较陌生，可以去找一些关于这方面的书籍看看。

下学期我会给你们做专门的讲解的。

你们先作个大概的了解，并确定具体的方向。

1引言近年来，随着集成电路工艺尺寸的不断减小，低电压的发展趋势越来越快。

下图为半导体工艺与电源电压的关系。

从图中可以看出，电压随着工艺最小尺寸的减小而不断降低。

电压减小的原因是因为尺寸的减小导致了器件的击穿电压的减小。

此外数字电路的功耗正比于电源电压的平方，因此，为了减小功耗必须降低电源的电压。

但是从模拟电路设计者来看，电源电压的减小会导致模拟信号动态范围的减小。

如果MOS管的域值电压随着电源的降低而等比减小的话，动态范围就不会受到严重的影响。

但由于数字逻辑的原因，域值电压不能大幅地减小，所以低电压会对电路的设计带来一定的影响。

2 一般原理在模拟电路和数模混合电路中，对于低电压的追求逐渐成为集成电路的一种时尚。

然而低电压导致了运算放大器输入共模范围的降低，传统的PMOS或NMOS差分对输入已不能满足大的输入共模范围的要求。

为解决这一瓶颈，rail-to-rail运算放大器随之而产生。

通常的Rail-to-Rail运放采用两级结构，运放的输出级可以采用简单的class-A或class-AB来实现，难点在于输入级的设计。

输入级一般采用PMOS和NMOS并联的互补差分结构，但其跨导在整个共模输入范围内变化两倍。

这种跨导的变化不仅影响环路的增益, 也会影响运放的频率补偿。

同时，由于输入信号是rail-to-rail ，具有很高的信噪比，因此要求整个rail-to-rail 运放的输入级保持恒定的跨导(g m )。

一般来说，运算放大器的输入级都采用差分放大器的输入模式。

在CMOS 工艺中，差分放大器可以通过PMOS 或NMOS 的差分对来实现。

(完整word版)跨导运算放大器的设计

跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。

通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。

1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V , 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54 μA ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 oC ，并且最优指数totalLI C GBW FOM ∙=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和 ota_test.sp，然C LB : 1 1 : B后自己调整；（2）仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。

将分析结果与实际仿真结果进行比较；（3）尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。

二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。

共栅运算跨导放大器

折叠式共源-共栅运算跨导放大器姓名：刘淑杰学号：U200714149班级：2007级2班院系：控制系专业：测控技术与仪器同组人姓名：黄大龙葛金炬目录1设计目标 02相关背景知识 (1)(1)课题背景 (1)(2)题目理解 (1)3设计过程 (2)3.1 电路结构设计 (2)3.2 主要电路参数的手工推导 (2)3.3计算DC 增益 (3)3.4计算GBW (5)3.5实际计算 (7)3.6参数验证 (9)4 电路仿真 (10)4.1 用于仿真的电路图 (10)4.2 仿真网表 (10)4.3 仿真波形 (12)5 讨论 (14)收获和建议 (15)参考文献 (17)1设计目标设计一款折叠式共源-共栅跨导运算放大器（Design a Folded Cascode OTA），其设计指标见下表，参考电路原理图如下图所示，用0.35um coms工艺。

Cload DC Gain GBW Vdd Idd3pF 40dB~50dB 300MHz 3V Don’t Care图：折叠式共源-共栅跨导运算放大器设计步骤与要点：1.直流工作点的分析与设计（DC operation point design and analysis）1) 假设所有的MOS管均工作在饱和区，VGS-VT=200mV，VDD=3V，VSS= 0V，计算OTA的最大输出摆幅。

2) 基于0.35 um CMOS工艺，计算和设计MOS管的尺寸，使OTA电路满足最大输出摆幅的要求。

3) 以下数据可供设计参考L1,2,3,4 = Lmin; Lmin= 1μm。

2.在HSpice电路仿真软件，对所设计的电路进行模拟仿真与设计2相关背景知识(1)课题背景共源共栅级的普及有两个主要原因。

第一个主要原因是它们由于大输入阻抗，对单级有相当大的增益。

为了得到这个高增益，与输出节点相连的镜像电流源可以用高质量共源共栅镜像电流源实现。

通常，得到这个高增益不会导致任何速度降低，而且有时还会提高速度。

高增益、恒跨导Rail-Rail CMOS运算放大器设计

Ｖ＝Ｖ。。同理ＰＳ输人对可使输入共模电Ｄ一ＭＯ
第一作者简介：周
电路设计。
游（９４）安徽，１８一，硕士，究方向：研模拟集成
３０２２
科
学
技
术
与
工
程
平低到０伏。所以互补差分输入级使输入共电源效率，出方式采用Ａ输Ｂ类输出，以输出所
益ｇｒ减小，了得到更大的增益提高运放的线性０为
度只能采用三级或者更多级结构。本文给出了一
种三级恒跨导运放的设计方法，且输入输出都可并
以达到全摆幅。
大相位裕度。源极负反馈电阻尺和Ｒ被用于减小
晶体管Ｍ，６和ＭＭ８的等效跨导从而消除由５Ｍ７，这些晶体管引入的输入失调电压Ｊ。
⑥ ２１ＳｉＴｃ．ｎｎ．０１ｃ．ｅｈＥｇｇ
通信技术
高增益、恒跨导ＲｉＲｉＣａ．ａｌＭＯｌＳ运算放大器设计
周游王云刘智
（西安微电子技术研究所，西安７０５）１０４
摘
要
设计和研究了一种高增益恒跨导ＲｉＲｉＣＳ运算放大器，ａ— ａｌＭＯｌ输入级采用工作在亚阈值区的互补差分形式输入结
构。与以往输入结构相比，不仅使输入共模电压达到ＲｉＲｉ，ａ — ａ而且降低了工作电压，ｌｌ提高了电源利用率。利用电流开关的作用使输入跨导在输入共模范围内恒定。中间级为ＭＯＳ差分结构，并且同向驱动输出级使其具有推挽特性。采用嵌套米勒频率补偿使运算放大器稳定。整个电路采用华虹０３￣ＣＳ工艺参数进行设计，．５ｖＭＯｍ工作电压为３０Ｖ。利用ＯＣＤＨＳＩＥ．ｒＡＰＣ

(完整word版)跨导运算放大器的设计

跨导运算放大器的设计一、实验任务1-1 实验目的学会使用数模混合集成电路设计仿真软件Hspice ；学会按要求对电路的参数进行调整；学会对工艺库进行参数提取；学会用提取的参数进行手工计算分析并与仿真得出的参数进行比较。

通过上述实践达到对之前所学《模拟集成电路原理与设计》理论课程内容的更深入的理解和掌握，以及初步掌握模拟集成电路设计的方法和步骤，使学生能较快适应未来模拟集成电路设计的需求。

1-2 实验任务：设计一个跨导运算放大器（1） VDD=1.8 V, 使用models.mdl 库文件，1:B 是指两个管的w/L 之比，I bias =54A ，试调整各个管的参数，使该运放的放大倍数A V =inip noutv v v ->60，而且同时满足增益带宽积GBW>100 MHz ，相位裕度PM>65 o C ，并且最优指数totalLI C GBW FOM •=>0.422，可先参照一个样板仿真文件ota.sp 和C LB : 1 1 : Bota_test.sp ，然后自己调整；（2）仿真各指标满足要求后，自行设计参数提取电路进行电路中的各个部分晶体管的参数提取，然后进行手算分析。

将分析结果与实际仿真结果进行比较；（3）尽你所能调整除 VDD 之外的其他参数，包括I bias 来提高FOM ，最高能提高到多少？最后提交一个word 电子文档，包括参数提取过程、手算分析过程、电路图（带管子参数）、仿真波形图、及相关详尽的说明。

二、实验内容2-1 问题12-1-1参数分析•增益Av由out m V BR g A 10=，m g = 34||out o o R r r = ，333,EN o d V L r I =444EP o d V Lr I =B= (W 3/L 3)/(W 2/L 2)则43432233111//)/(2d d PN EN d ox out m v I I L L V V L W L W I L W uC BR g A ⨯⨯==所以，可通过增大M1的宽长比，增大L4的大小，以及提高M3和M2的沟道宽长比之比B 来提高放大增益V A 。

跨导放大器设计实例

模拟集成电路实验——跨导放大器设计实验报告学院：电信学院班级：微电子23班姓名：游晓东学号：2120503069一、设计指标二、电路结构确定电路结构的原因： ① 根据设计指标② 电路结构对称，匹配度高，,Offset CMRR 性能指标好③ 电路稳定性好，只有一个主极点④ 该电路为差分输入，单端输出，共模抑制比大，输出共模点较稳定三、电路原理概述该电路主要由三部分组成：带隙基准电流源、偏置电路、跨导放大器9~21M M 构成一个跨导放大器，其中13M 为尾电流源，向输入的差动对管提供电流偏置。

11,12M M 为输入差分对管，将小信号电压转换成小信号电流。

9,14M M 和10,17M M 为两个对称的电流镜，比例复制小信号电流。

14,15M M 与16,17M M 为共源共栅结构，可以提高输出阻抗和开环增益。

18,19,20,21M M M M 为低压共源共栅电流镜，可以作为单端输出并且提高输出摆幅。

0~8M M 构成偏置电路部分，为跨导放大器提供偏置电流。

22~34,0~2,0~2M M Q Q R R 构成带隙基准电流源部分，为电路提供基准电流源。

四、设计过程1. 分配电流根据静态电流250A μ限制，分配带隙基准电流源部分20A μ，偏置电路部分10A μ（其中每一路2A μ），跨导放大器部分210A μ。

分配14,17M M 的偏置电流14M I 时主要考虑三个指标：,,GBW SR GMGM 要求900~1100/A V μ，因此GM 取1000/A V μ。

由于11GM B gm =⋅，B为14,9M M 的偏置电流之比，因此111000/B gm A V μ⋅= （1）GBW 要求大于3MHZ 。

112LB gm GBWC π⋅=⋅，因此11566/B gm A V μ⋅> （2）SR 要求大于3/V S μ。

92M LB I SRC ⋅=，因此9290M B I A μ⋅> （3）由于9112M ODI gm V =，若OD V 取0.2V ，则由（1）得9100M B I A μ⋅=，由（2）得956.6M B I A μ⋅>，由（3）得945M B I A μ⋅>。

跨导运算放大器

183第5章集成跨导运算放大器内容提要跨导放大器(包括双极型OTA 和CMOS 跨导器)是一种通用性很强的标准器件，应用非常广泛，主要用途可以分为两方面。

一方面，在多种线性和非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理；另一方面，在电压模式信号系统和电流模式信号系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。

本章将介绍OTA 的基本概念，双极型集成OTA 的电路结构，及其OTA 在模拟信号处理中的基本应用原理。

CMOS 跨导器是近年来研究和发展的主流，本章将主要介绍几种CMOS 跨导放大电路。

5.1 引言跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，增益叫跨导，用G m 表示。

集成跨导放大器可分为两种，一种是跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier)，简称OTA ；另一种是跨导器(Transconductor)。

跨导运算放大器是一种通用型标准部件，有市售产品，而且都是双极型的。

跨导器不是通用集成部件，它主要用于集成系统中进行模拟信号的处理，跨导器几乎都是CMOS 型的。

双极型OTA 和CMOS 跨导器的功能在本质上是相同的，都是线性电压控制电流源。

但是，由于集成工艺和电路设计的不同，它们在性能上存在一些不同之处：双极型OTA 的跨导增益值较高，增益可调而且可调范围也大(3～4个数量级)；CMOS 跨导器的增益值较低，增益可调范围较小，或者不要求进行增益调节，但它的输入阻抗高、功耗低，容易与其他电路结合实现CMOS 集成系统。

由于跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，所以它既不是完全的电压模式电路，也不是完全的电流模式电路，而是一种电压／电流模式混合电路。

但是，由于跨导放大器内部只有电压一电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高，同时电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低。