跨导放大器的分析与设计1
跨导放大器的原理与应用
跨导放大器的原理与应用1. 跨导放大器的概述
• 1.1 跨导放大器的定义
• 1.2 跨导放大器的分类
• 1.3 跨导放大器的特点
2. 跨导放大器的原理
• 2.1 跨导放大器的基本结构
• 2.2 跨导放大器的工作原理
• 2.3 跨导放大器的放大机制
3. 跨导放大器的应用
• 3.1 电子通信领域
– 3.1.1 无线电通信系统
– 3.1.2 手机和移动设备
– 3.1.3 通信基站
• 3.2 音频放大领域
– 3.2.1 音响系统
– 3.2.2 乐器放大器
• 3.3 传感器接口电路
– 3.3.1 温度传感器
– 3.3.2 压力传感器
– 3.3.3 光传感器
4. 跨导放大器的优缺点
• 4.1 优点
• 4.2 缺点
5. 跨导放大器的设计考虑因素
• 5.1 增益要求
• 5.2 带宽要求
• 5.3 稳定性要求
6. 跨导放大器的改进方法
• 6.1 功率增强技术
• 6.2 噪声降低技术
• 6.3 线性度改善技术
7. 结论
•本文介绍了跨导放大器的原理与应用，包括跨导放大器的概述、原理、应用场景以及优缺点等内容。
随着电子通信和音频放大技术的发展，跨导放大器在各个领域都有重要的应用。
不过，在设计跨导放大器时需要考虑到增益、带宽和稳定性等因素，同时也需要探索改进方法来提高功率、降低噪声和改善线性度。
跨导放大器作为一种重要的电子器件，将继续在各个领域发挥重要作用。
跨导运算放大器设计实例
李福乐 lifule@
1
Specifications
• CSMC 0.6um DPDM CMOS Process • GBW > 100MHz, PM > 60 when CL=2pF • DC Gain > 80dB • Output swing > 4V (differential) • Full differential architecture • Low Power (Large FOM)
所设计的OTA要应用于课程设计10bit cyclic ADC中。 在开关电容ADC中，ADC的速度取决于级电路的建立速度，而级电路的建立过程 可视为由大信号压摆区和小信号线性建立区构成，其中，小信号建立区的时间通 常要占到总建立时间的80%~90%，因此，OTA的大信号压摆率对ADC的速度影响 较小； 从另一个方面来说，压摆率只取决于偏置电Байду номын сангаас，当偏置电流和电容确定后，无论 输入管的VGS-VT是大是小，压摆率都不变。对于连续信号处理电路，我们希望 OTA在整个设计带宽内工作时，输出信号不会因为摆率跟不上而幅度受限，这个 时候需要SR/GBW大一些，即输入管的VGS-VT大一些；但是，对于采样信号处理 电路，比如我们所要设计的ADC，当我们确定好偏置电流，然后降低输入管的 VGS-VT，这个时候，SR不变，GBW变大，即SR/GBW变小了，而最终的建立时 间反而缩小了，ADC的速度加快了。 因此，SPEC中没有提出对SR的具体要求。 注意：不同应用对SR/GBW的不同要求！
3
MOST parameters
• u? Cox?
– Find out un, up, toxn and toxp from model library
一种含有带隙基准源的低功耗运算跨导放大器的分析与设计
第 1期
赵以诚, 等: 一种含 有带隙基准源的低功耗运算跨导放大器的分析与设计
7
VREF
=
VBE 2 +
0 引言
近年 来随 着半 导体 产业的迅猛发展, 由于 LED(发光二极管 )具有体积小、功耗低、寿命长等 特点, 它被应用于很多领域, 诸如 LED 电脑显示 屏幕, LED电视, 汽车电子, 这就需要一款芯片驱 动 LED工作. 基于 LED 显示屏驱动芯片, 它用于 控制 100个串联的 LED的开启与关断, 本文设计 了一种用于 LED驱动芯片实现调光功能、升压式 直流调节的核心电路 含有带隙基准源的低功耗 运算跨导放大器 ( Gm _OTA ).
图 3 改进的带隙基准电路
图 3是一个可以完成上述两个功能的实际改
进电路. 这里加入了一个运算放大器 A 1, 它以 VX 和 VY 为输入, 驱动 R 1和 R2( R 1 = R 2) 的上端, 使得 X 点和 Y点稳定在近似相等的电压. 基准电
压可以在放大器的输出端得到. 经过分析, VBE 1 -
图 1 含带隙基准跨导放大器的结构图
* 作者简介: 赵以诚 ( 1984 - ), 男, 辽宁沈阳人, 硕士研究生, 从事集成电路设计研究. 收稿日期: 2010- 11 - 30
6
辽宁大学学报
自然科学版
2011 年
器模块共同构成, 带隙基准模块为跨导放大器模 块提供偏置电流. 2. 1 带隙基准源
( 1. 辽宁大学 物理学院, 辽宁 沈阳 110036; 2. 北京美新华微电子技术有限公司, 北京 100044; 3. 中山大学 信息科学与技术学院, 广东广州 510006)
摘 要: 提出一种含有带隙基准源的 低功耗 CMOS运算跨导放大 器的设计方法, 在 Candence 的 schm atic 工 具下完成了电路的搭建与整理, 并分析了其基本结构. 在此基础上, 运用 H sp ice仿真工具建立了电路模型, 并 完成了系统仿真验证. 在 7. 75V 电源电压下, 基于 csm c 0. 5 m 工艺模型, 本 设计可驱动 75 pF 负载, 相位 裕 度为 135度, 单位增益带宽为 1. 19 MH z, 静态功耗为 3. 43 mW, 实现了低功耗运算跨导放大器的良好性能. 关键词: 带隙基准源; 相 位裕度; 增益带宽; 跨导放大器 中图分类号: TN32 文献标识码: A 文章编号: 1000 5846( 2011) 01 0005 06
(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 。
跨倒放大器的用法
跨倒放大器的用法跨导放大器是一种广泛应用于电子领域的放大器，通过控制输入信号的斜率改变输出信号的幅度，因此在电子电路设计中有着重要的地位。
本文将从跨导放大器的原理、结构和用法等方面展开详细介绍，以期为读者提供全面的了解。
一、跨导放大器原理跨导放大器又称转导放大器，是一种利用场效应晶体管（FET）的放大器。
它的工作原理是利用输入信号对FET管子的栅极电压产生影响，使其输出电流发生相应变化，从而达到信号放大的目的。
在跨导放大器中，信号的放大是通过调节输人信号的斜率来实现的。
当输入信号的斜率改变时，输出信号的幅度也随之改变。
二、跨导放大器结构跨导放大器主要由三部分组成：输入级、中间级和输出级。
输入级通常由场效应管子构成，其作用是将输入信号转换成电流信号并传送到中间级；中间级则负责增加电流信号的幅度，并将其传送到输出级；输出级将中间级传来的电流信号重新转换成电压信号，并输出到负载中。
通过这三个级之间的协调配合，跨导放大器能够实现对输入信号的放大。
三、跨导放大器的用途1. 通信系统中的应用跨导放大器广泛应用于各种通信系统中，例如手机、卫星通信、无线通信等。
在这些系统中，需要对信号进行放大和处理，跨导放大器能够很好地满足这些需求。
2. 音频放大器中的应用在音频系统中，跨导放大器也有着广泛的应用。
通过调节输入信号的斜率，可以实现对音频信号的放大，从而为音响系统、功放等设备提供优质的音频信号。
3. 传感器放大器中的应用跨导放大器还常用于传感器放大器中，通过对传感器输出信号进行放大和处理，使得传感器能够更准确地感知环境信号，并将其转换成有效的电信号。
四、跨导放大器的优点1. 高灵敏度跨导放大器具有高灵敏度的特点，能够对输入信号的微小变化做出快速的响应，并将其放大。
2. 良好的线性度跨导放大器的输出信号与输入信号之间具有较好的线性关系，能够保持信号的原始特性，不会产生失真。
3. 宽频带特性跨导放大器具有宽频带特性，能够满足各种不同频率信号的放大需求。
(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⋅>。
一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器的设计的开题报告
一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器的设
计的开题报告
本文将介绍一种低压轨至轨输入输出稳定跨导运算放大器（transconductance operational amplifier，简称OTA）的设计。
该设计旨在实现超低电压输入、广泛带宽、高增益和输出稳定性，以满足现代电路设计中对高性能运算放大器的需求。
本文将从以下几个方面介绍该设计的开发过程：
1. 需求分析：介绍现代电路设计对高性能OTA的需求和该设计的目标性能参数。
2. 电路原理：介绍基于 CMOS 双极性晶体管（BJT）的 OTA 电路原理，并详细阐述其输入级、差动放大器、输出级等组成部分。
3. 设计方法：介绍针对该OTA设计的CMOS工艺选择和电路仿真方法，并详细介绍根据需求分析、电路原理及相关参数计算所采用的设计方法。
4. 电路仿真：通过电路仿真软件进行电路仿真分析，验证该设计的性能参数。
5. 总结与展望：总结本文内容，展望该设计的应用前景及未来发展方向。
总之，该设计旨在满足现代电路设计对高性能OTA的需求，具有较高实际应用价值。
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流进或者流出输入端 的电流为0
运算放大器与跨导放大器（1）
运算放大器与跨导放大器（2）
运算放大器（Opamp） 跨导放大器（OTA）
通用放大器 电压控制电压源（VCVS） 低输出阻抗
能驱动电阻性负载或电容性 负载
OTA＋Buffer
缓冲器增加了电路的复杂度 和功耗
差分对Cgd的Miller效应消除办法：
使用Cascode结构（可提高增益） 使用中和（Neutralization）电容
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
单级OTA：最大输出摆幅
调节输入/输出共模电 平，使得可获得的输 出电压摆幅达到最大
使用长沟道平方律方 程很容易确定优化的 输入/输出共模电平
受到短沟道效应的影 响
差分 摆幅
单端 摆幅
SW
2 min[Vout(max) Voc ,Voc Vout(min) ]
实际电路中输入/输出 共模电平是由跨导放 大器的接口电路（前 后级电路）决定的
跨导放大器的分析与设计（1）
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
理想运算放大器
差分输入端 差模电压增益为无穷
大 输入阻抗为无穷大 输出阻抗为0
单级OTA：输出摆幅
Vout(max) VDD Vminp
单
端
Vout(min) (Vic Vt Vov ) Vminn
摆
幅
SW 2 min[Vout(max) Voc ,Voc Vout(min) ]
可获得的输出电压摆幅与输入/输出共模电平有关
差分对和有源负载上的最低压降会限制可获得的 输出电压摆幅
➢ 线性时变电路
单级OTA：增益带宽积
增益带宽积与OTA输出阻抗无关 CLtot是OTA输出端看到的所有电容之和
单级OTA：单位增益带宽（1）
单级OTA：单位增益带宽（2）
单位增益带宽等于增益带宽积，限制：
没有靠近fu或频率低于fu的第二个极点 低频增益足够高，隐含着fu>>fp1
Ro的取值对电路在频率fu附近的电学特性没有影响
单级OTA
输出共模电平 不稳定
依赖于上下 两个电流镜 之间的电流 匹配程度
需要共模反 馈环路来稳 定输出共模 电平
差模半电路
跨导放大器的负载
低负载阻抗RL会大幅降低放大器的增益
RL可能是片外负载或来自反馈网络的负载效应
反馈系统的高精度要求放大器有高的增益
反馈网络采用高阻值电阻
➢ 占用大的芯片面积 ➢ 引入寄生极点，产生稳定性问题
两级OTA
Vop(min) Vovn
Vop(max) VDD Vovp
最大输出摆幅增加 增益更高：(gmro/2)2 输出电压摆幅不再与输入共模范围有关
带有反馈的差模半电路
晶体管代表每一
级的跨导，R*代 表每一级的输出
阻抗，C*代表容 性负载
第一级 等效电路
第二级 等效电路
Miller效应
绝大多数集成放大器都 是OTA
电压控制电流源（VCCS）
高输出阻抗
不能驱动低的电阻性负 载
采用电容性反馈（如开 关电容电路）
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
单级OTA的增益分析
小信号增益（Vid~0、Vod~0）
静态增益误差～1/T0~1/av0~1/25=4%
对很多应用来说，这种静态增益误差是不能满
足要求的
提高放大器的增益
提要
跨导放大器的基本概念 单级跨导放大器 两级OTA的基本特性 两级OTA的频率补偿：Miller补偿 反馈型OTA中的噪声 两级OTA的设计 阶跃响应：线性建立过程 阶跃响应：放大器中的压摆问题
使得ωp1很小 频率较高时，Cc近似短路，M2成为一个二极管型连接，
输出阻抗较低，使得ωp2很高
Miller补偿：极点分裂
Miller补偿：精确分析
Miller补偿：零极点分析
因为Cc的前馈作用，出现了右半平面的零点
右半平面零点与左半平面零点的相移
解决方案1：插入缓冲器
运算放大器
电路复杂度增加 额外的芯片面积和功耗
解决方案2：电容性反馈
反馈网络只有在高频下才会产生负载效应，放大器 的低频小信号增益不受影响
问题：电容上的电荷需要初始化
采用大的电阻与电容并联（芯片面积、寄生极点） 采用开关电容电路技术
➢ 需要两相时钟：一个时钟相用来实现电容上的电荷初始化，另 一个时钟相用来实现放大功能
环路增益的波特图
如果ωp1与 ωp2很接近 ，环路的 相位裕度 将会很小
提高相位裕度：引入一个主极点
提高相位裕度 ：使 ωp1<<ωp2或 ωp2<<ωp1
当频率小于单 位增益带宽时 ，环路近似具 有单极点系统 的频响特性
相位裕度
在单位增益带宽频率处，主极点使得传输函数相移-90度 非主极点在频率为ωc处的相移为-tan-1(ωc/ ωp2)
负载补偿
在第一级或第二级输出增加一个并联到地的补偿 电容，使该节点引入主极点
数值例子：
存在的问题：
补偿后fc很低，闭环增益的-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdB带宽很低 需要很大的补偿电容
➢单位面积电容量为1fF/um2，补偿电容所占芯片面 积为4mmX4mm
Miller补偿
补偿电容连接在第二级的输入与输出之间 频率较低时，因为Miller 效应，第二级的输入容抗增加，
例子：Vic=Voc=VDD/2
假设输出摆幅受限于Vminn，Vminn～Vov，则可获 得的最大差分输出峰峰电压摆幅为4Vt
考虑到饱和区向线性区转换是光滑的，如何来定 义放大器的输出电压范围？
直流分析：增益与输出摆幅
将输出摆幅定义为增益Vod/Vid下降不超过 30％时输出电压可取的范围