集成电路设计笔记（六）运算放大器设计

1. 什么是运放？

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运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。是电路中的一个常用结构。

运放的结构多种多样，本文记录一种简单的结构

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2. 运放原理

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运放的原理图如上图所示，上方四个PMOS为电流镜，为电路中其他部分提供电流，PM1为电流镜的参考电流。PM4和PM5为养分输入部分，放大差模信号抑制共模信号，在其下方的两个NMOS（NM2和NM3）为一对电流镜，将双端输出复制到单端，并作为差分输入的有源负载。NM4是电路的第二级放大。其上方的电阻和电容用来米勒补偿，调节电路的相位裕度，提高稳定性。最左的NM0和NM1与电阻为电路中的负反馈，稳定电路中各支路的电流。

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3. 各性能参数测量

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3.1 DC差模

用来观察电路直流状态下的工作情况，测试电路如下图所示

测试结果如下图所示，

增益达到的500倍，输出是0V的3V。

3.2 交流小信号分析

观察其在交流状态下的增益和相位情况，相位裕度决定系统的稳定性。

测试电路如图所示

测试结果如下图所示

相位裕度64度，增益最大95dB，0dB带宽为1.6MHz

3.3 CMRR

什么是CMRR？技术定义是差分增益与共模增益的比率，但这不能告诉我们过多的实际应用。共模输入电压影响输入差分对的偏置点。由于输入电路中固有的不匹配，改变偏置点会改变输入失调电压（VOS），从而改变输出电压。换句话说，当您更改共模电压时，您将看到输入失调电压的变化。CMRR告诉您这种变化会有多大。

测试电路如下图所示

测试结果如下图所示

CMRR最高为103dB

####　3.4 PSRR

电源纹波抑制比(PSRR)是输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量（以伏为单位）的比值，常用分贝表示。对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源纹波抑制比.

测试电路如下图所示

测试结果如下图所示

PSRR最大为87dB。

3.5 摆率

运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。

测试电路如下图所示

测试结果如下图所示

摆率为0.318V/us

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4. 参数列表

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项目	参数
作者	ccbirds
增益	95dB
PSRR	87dB
CMRR	205dB
3dB	32Hz
0dB	1.6MHz
相位裕度	65deg
摆率	318V/ms
功耗	12.9uW
差模输入范围	6mV
差模输出范围	3V
共模输入范围	90mV
共模输出范围	1V

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单运放的设计完成了。

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