两级

例6：基本无缓冲两级运放设计基础知识回顾：图6.1是一基本两级运放的电路图，其相关设计参数如图上所示。图6.1关于图6.1中设计参数的一个补充说明：1．节点A为第一主极点P1，P1－1/[gm6(r02//r04)(r06//r07)Cc]2．输出节点out为第二主极点P2，P2－gm6/CL3．零点Z1由Cc产生，Z1gm6/Cc4．单位增益带宽GBgm2/Cc（思考题6.1：该式如何得来的？试推导之。）5．节点B还会产生一个极点PB和一个零点ZB，PBgm3/CB，ZB－2gm3/CB，要保证图6.1中的设计公式成立，必须保证PB、ZB不是第一主极点和零点，及PB10GB（此式肯定成立），ZB10GB。6．没有考虑输入节点引起的极点。即RS＝0。思考题6.2：已知运放有两个极点和一个RHP零点，设零点大于10GB，证明：为使相位余度PM大于60，第二极点至少高于2.2GB。图6.1中的设计公式就是基于思考题6.2的结论而来：由零点大于10GB，得gm6/Cc10（gm2/Cc）gm610gm2由第二极点至少高于2.2GB，得gm6/CL2.2（gm2/Cc）Cc0.22CL。例：设计图6.2基本无缓冲两级运放，满足下述指标要求：ADM60dB（即1000倍），电源电压2.5V，GB5M，CL＝10PF，SR10V/uS，输出电压范围2V，输入共模电压范围（ICMR）－1～2V，Pdiss2mW。CMRR70dB*备注：由于我们所用的模型参数Tox较大，且较小。基本两级运放的增益同单级CS-CG运放（套筒式）差不多，故这里ADM也与套筒式）运放差不多。*这就是前面的简单CS放大器和基本差分对的组合，只要给各级分配好增益，设计方法同前一样，只是在估算VonN1(2)和VonP3时，要注意满足gm610gm2的要求。一、参数估算1．先分配各级的增益。思考题6.3：分配各级增益时应考虑什么原则？哪级增益应大一些？为什么？设AD135dB（即AD156），AD225dB（即AD220）。1．确定Cc的大小。因为Cc0.22CL，取Cc＝3PF。2．确定各级的工作电流。因为IDN3＝SR×Cc10×106×3×10－12＝30×10－6A＝30uA，取IDN3＝50uA。如果没有SR要求，代之的是建立时间Ts，则可按下式估算尾电流IDN3：DN3vcc+|vss|I=10()2Ts，如果既告诉了SR也告诉了Ts，IDN3取上面两式的最大者。由Pdiss2mWItotal2/5=400uAIDP3350uA。IDP3具体选多少值要在第一级参数确定下来之后才能确定，因为要满足gmP310gm1(2)的要求。3．确定第一级的输出摆幅及其静态工作点第一级的输出摆幅为：4/AD2＝4/20＝0.2V，因为VAminVoutmax－|VTP|＝2－图6.20.8058＝1.1942，故静态工作点VA1.1942+0.2＝1.3942，另一方面，VAVinCMmax－VTN＝2－0.5815＝1.4185，取VA＝1.45，即：VonP1(2)＝VonP3=2.5－1.45-0.8058＝0.2442。取VonN1(2)＝0.2。VinCMminVonN1(2)+VCVC-1－0.2＝－1.2，VonN3(4)VC－VSS－VTN2.5－1.2－0.5815＝0.7185，另一方面，VonN3(4)Voutmin－VSS＝－2+2.5＝0.5。取VonN3(4)＝0.3（即：VC＝VSS+VonN3(4)+VTN＝－2.5+0.3+0.5815＝－1.6185）4．验证第一级的增益和CMRR是否达到要求静态时，VinCM＝（VinCMmin+VinCMmax）/2＝0.5，可以估算出VDSP1(2)＝Vcc－VA＝2.5-1.45＝1.05，VDSN1(2)＝VA－VB＝VA－（VinCM－VonN1(2)－VTN）=1.45－0.5+0.2+0.5815＝1.73，VDSN3＝VB+|VSS|=2.5+（VinCM－VonN1(2)－VTN）＝2.5+0.5－0.2－0.5815＝2.2185。假定所有管均取L=2u，查表1.1得KN1(2)31，KN331.5，KP1(2)12。查表1.2得N1(2)0.035，N30.03，P1(2)0.22。于是可以估算出：AD1＝gmn/〔（N1(2)+P1(2)）ID〕2/〔（N1(2)+P1(2)）VonN1(2)〕=2/[（0.035+0.22）0.2]=39.2。没有满足预定的56倍要求。取LP1(2)=4u，查表1.2得P1(2)0.16。AD1＝gmn/〔（N1(2)+P1(2)）ID〕2/〔（N1(2)+P1(2)）VonN1(2)〕=2/[（0.035+0.16）0.2]=51.3。离预定的56倍要求还差一点。根据前面的经验，一般增益放真结果比估算值略小。故还需进一步调整。取VonN1(2)＝0.15。AD1＝gmn/〔（N1(2)+P1(2)）ID〕2/〔（N1(2)+P1(2)）VonN1(2)〕=2/[（0.035+0.16）0.15]=68.4。满足预定的56倍要求。mN1N3onP1CMmN1oN3mP1oN3mP1-2g11λV0.03×0.2442A≈≈===0.001831+2gr2g2rg44CMRR＝20lg（68.4/0.00183）91dB（满足70dB的要求）思考题6.4：前面算出第一级的CMRR是该运放的CMRR吗？为什么？5．估算第一级的宽长比（W/L）MN1(2)＝ID/（Kn1(2)×VonN12）＝25/（31×0.152）36＝72/2（W/L）MN3＝2ID/（Kn3×VonN32）＝50/（31.5×0.32）17.5＝35/2（W/L）MP1＝ID/（Kp×VonP12）＝25/（12×0.24422）35＝140/47．验证节点A产生的极点和零点大于10GB。这一步需先估算该节点的寄生电容才能验证，一般来讲可以保证成立。这里不做估算。8．下面估算第二级参数：先确定第二级的静态工作电流。gmP310gm1(2)IDP310×IDN1(2)×VonP3/VonN1(2)＝10×25×0.2442/0.15＝407uA，这一结果要和前面求出的IDP3350uA（功耗要求）求交集，显然这里交集为空。思考题6.5：这里由gmP310gm1(2)求出的IDP3超出了功耗的要求，这里如何理解什么是速度和功耗之间的折中关系？既要保证带宽，又要保证增益，该如何调整前面的方案呢？从前面的公式gmP310gm1(2)中我们发现，要减小IDP3，必须增加VonN1(2)，但这反过来又会减小第一级的增益，虽然可以减小VonP3来增加第二级的增益，但第二级的电流较大，且KP较小，这会使（W×L）MP3很大，这不是一个较好的选择。我们增加VonN1(2)，但也增加第一级的输出电阻。我们知道，用LP1(2)=2u的共源共栅结构比直接取LP1(2)=4u的输出电阻更大，所以我们将图6.2改变成图6.3。图6.3同样在图6.3中，第一级的输出摆幅为：4/AD2＝4/20＝0.2V，因为VAminVoutmax－|VTP|＝2－0.8058＝1.1942，故静态工作点VA1.1942+0.2＝1.3942，另一方面，VAVinCMmax－VTN＝2－0.5815＝1.4185，VonP1(2)VCC－VA－|VTP|＝2.5－1.4185－08058＝0.2757，取VonP1(2)＝VonP3＝0.2（即VA＝2.5－0.2－0.8058＝1.4942），因为VonP1(2)+VonP4(5)VCC－VA＝2.5－1.49421.0，故VonP4(5)1.0－0.2＝0.8，取VonP4(5)＝0.4，因为VDVCC－VonP1(2)－VonP4(5)－|VTP|＝2.5－0.2－0.4－0.8058＝1.0942，同时VDVA－|VTP|=1.4942-－0.8058＝0.6842。综上所述，取VD＝0.8（即VonP6＝VCC－VD－|VTP|＝2.5－0.8－0.8058＝0.89）。依然取VonN1(2)＝0.2。VinCMminVonN1(2)+VCVC-1－0.2＝－1.2，VonN3(4)VC－VSS－VTN2.5－1.2－0.5815＝0.7185，另一方面，VonN3(4)Voutmin－VSS＝－2+2.5＝0.5。取VonN3(4)＝0.3（即：VC＝VSS+VonN3(4)+VTN＝－2.5+0.2+0.5815＝－1.6185）9．验证第一级的增益和CMRR是否达到要求静态时，VinCM＝（VinCMmin+VinCMmax）/2＝0.5，可以估算出VDSP1(2)0.4，VDSP4(5)0.5，VDSN1(2)＝VA－VB＝VA－（VinCM－VonN1(2)－VTN）=1.45－0.5+0.2+0.5815＝1.73，VDSN3＝VB+|VSS|=2.5+（VinCM－VonN1(2)－VTN）＝2.5+0.5－0.2－0.5815＝2.2185。假定所有管均取L=2u，查表1.1得KN1(2)31，KN331.5，KN432，KP1(2)KP4(5)10.0。KP313.0，KP611.5。查表1.2得N1(2)0.04，N30.04，P1(2)P4(5)0.33。P30.2。于是可以估算出：218361000//22KKDoutp-6DDDonP4(5)P4(5)P1(2)onP4(5)P4(5)P1(2)outN-6DN1(2)outpoutN-DonP4(5)P4(5)P1(2)N1(2)2I112r=VλIλIVλλI0.40.330.33251011rλI0.04251022rr(Vλλλ)I(0.40.330.330.04)25101(2)647(//)216120.2mNKg6DoutpoutNonP4(5)P4(5)P1(2)N1(2)onN1(2)4Arr(Vλλλ)V4(0.40.330.330.04)显然此时的增益远远大于预定的56倍要求。从IDP310×IDN1(2)×VonP3/VonN1(2)可知，VonN1(2)越大，对IDP3的要求就越小，故我们将VonN1(2)增加一倍，即取VonN1(2)＝0.4，则增益约为：1(2)(//)28020.4mNgDoutpoutNonP4(5)P4(5)P1(2)N1(2)onN1(2)4Arr(Vλλλ)V4(0.40.330.330.04)又mN1N3onP1CMmN1oN3mP1oN3mP1-2g11λV0.04×0.2A≈≈===0.0021+2gr2g2rg44CMRR＝20lg（80/0.002）92dB（满足70dB的要求）10．估算第一级的宽长比（W/L）MN1(2)＝ID/（Kn1(2)×VonN12）＝25/（31×0.42）5＝10/2（W/L）MN3＝2ID/（Kn3×VonN32）＝50/（31.5×0.32）17.5＝35/2（W/L）MP1(2)＝ID/（Kp×VonP12）＝25/（10×0.22）62.5＝125/2（W/L）MP4(5)＝ID/（Kp×VonP12）＝25/（10×0.42）16＝32/2（W/L）MP6＝ID/（Kp×VonP12）＝50/（11.5×0.892）5.5＝11/211．验证节点A产生的极点和零点大于10GB。这一步需先估算该节点的寄生电容才能验证，一般来讲可以保证成立。这里不做估算。12．下面估算第二级参数：先确定第二级的静态工作电流。gmP310gm1(2)