rail-to-rail运算放大器分析

高级模拟集成电路设计高级模拟集成电路设计(AlDiEtil)(AlDiEtil)(AnalogDesignEssentials)(AnalogDesignEssentials)2011年11月21日唐长文副教授唐长文副教授[e-mail]://rfic.fudan.edu.cn/Courses.htm复旦大学/微电子学系/射频集成电路设计研究小组版权©2009-2011，版权所有，侵犯必究版权©2011，版权所有，侵犯必究轨到轨放大器轨到轨放大器轨到轨放大器轨到轨放大器复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-082-版权©2011，版权所有，侵犯必究目录目录为什么轨到轨？目录目录为什么轨到轨？3倍电流镜轨到轨放大器3倍电流镜轨到轨放大器齐纳二极管轨到轨放大器1/4电流控制轨到轨放大器15V电流调节轨到轨放大器1.5V电流调节轨到轨放大器1.3V电源调节轨到轨放大器其他轨到轨放大器和比较Ref:WSansen:AnalogDesignEssentialsSpringer2006复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-083-Ref.:W.Sansen:AnalogDesignEssentials,Springer2006版权©2011，版权所有，侵犯必究为什么轨到轨？为什么轨到轨？为什么轨到轨？为什么轨到轨？低电源电压：信号动态范围最大化低电源电压：信号动态范围最大化全差分信号处理全差分信号处理输出轨到轨总是需要的，且很容易满足输出轨到轨总是需要的，且很容易满足输入轨到轨不是必须的，较难实现输入轨到轨不是必须的，较难实现复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-084-版权©2011，版权所有，侵犯必究CMOSCMOS对称对称OTAOTACMOSCMOS对称对称OTAOTADDDD对称OTAOUTIN+IN-L轨到轨输出摆幅SS轨到轨输出摆幅复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-085-版权©2011，版权所有，侵犯必究何时需要轨到轨输入？何时需要轨到轨输入？何时需要轨到轨输入？何时需要轨到轨输入？21INOUT不需要！不需要！IN不需要！不需要！INOUT复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-086-需要！版权©2011，版权所有，侵犯必究轨到轨输入的共模负反馈轨到轨输入的共模负反馈AAd轨到轨输入的共模负反馈轨到轨输入的共模负反馈AcdvindvtdvincCLCLVREFvoutdVREF全差分放大器的输出是轨到轨，因此共模负反馈的输入全差分放大器的输出是轨到轨，因此共模负反馈的输入必须是轨到轨！复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-087-版权©2011，版权所有，侵犯必究目录目录目录目录为什么轨到轨？为什么轨到轨？3倍电流镜轨到轨放大器3倍电流镜轨到轨放大器齐纳二极管轨到轨放大器1/4电流控制轨到轨放大器15V电流调节轨到轨放大器1.5V电流调节轨到轨放大器1.3V电源调节轨到轨放大器其他轨到轨放大器和比较复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-088-版权©2011，版权所有，侵犯必究问题？问题？问题？问题？GSDSsatGSDS0.9V&0.2V1.1VVVVGSDSsatGSDSVDSsatpVGSDSVVGSpGSDSVVGSnVGSDSDSsatnV复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-089-INICNCMMDD1.1V1.1VVVV版权©2011，版权所有，侵犯必究问题：限制了输入共模范围问题：限制了输入共模范围DD问题：限制了输入共模范围问题：限制了输入共模范围DDBpmpmnOUT+OUT-工作条件mpIN+IN-mn工作条件:INCM1.1VVOUT+INCMDD1.1VVVSSBnOUT-DDmin2.2VV复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0810-SS版权©2011，版权所有，侵犯必究问题：问题：ggtttt变化很大变化很大→→GBWGBW变化变化问题：问题：ggmtotmtot变化很大变化很大→→GBWGBW变化变化mmmtotmpmnVDDINCM11VVnMOSTon:SSDDDDVDDINCINMCMDD1.1V1.1VVVVnMOSTon:pMOSTon:复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0811-版权©2011，版权所有，侵犯必究解决：解决：ggtttt恒定恒定解决：解决：ggmtotmtot恒定恒定mmmtotmtotmtotmpmnVDDINCMnMOSTon:11VVSSDDDDVDD恒定nMOSTon:pMOSTon:INCMDINDCM11.1V.1VVVV复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0812-恒定gm:pmnmctgg版权©2011，版权所有，侵犯必究强反型区强反型区ggtttt恒定恒定ct1gg强反型区强反型区ggmtotmtot恒定恒定mppmnnct1t'2'21gWKIgWKIppBppnnBnnct221KILKILpBnBnp'ctt3'2KIKIIIpnBBct3II14410313倍电流镜:复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0813-版权©2011，版权所有，侵犯必究为为nMOSnMOS管提供管提供33倍电流镜倍电流镜为为nMOSnMOS管提供管提供33倍电流镜倍电流镜DDDDBOUTrnOUT+mpIN+INmnOUT-IN+IN-OUT+OUT-BOUT+B复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0814-SSB版权©2011，版权所有，侵犯必究33倍电流镜倍电流镜33倍电流镜倍电流镜DDDDBBrnmpIN+INmnrpIN+IN-BB复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0815-SS版权©2011，版权所有，侵犯必究33倍电流镜：性能倍电流镜：性能33倍电流镜：性能倍电流镜：性能∆/15%mm∆/15%ggmtotmmtotmtotSSDDDDVDDINCMmpmnmtotBBmm(43)∆/15%(1/3)gxIxIggxSSDDDD复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0816-版权©2011，版权所有，侵犯必究33倍电流镜轨到轨运放倍电流镜轨到轨运放33倍电流镜轨到轨运放倍电流镜轨到轨运放6.4MHzM12M11M21Vb1IIb1M7M6Vb5M31VDD/10pFM13M22Ib2CM21:36.4V/μsM1M2M3M4M28M20M19M14M13vIN+vIN-M25vOUTM8M30M29M531nV/HzM27M16M15M26CM133VM18M17M24M23Ib5Ib4M10M9Vb31:3Ib6Vb63.3V0.18mA3AkVb4VSS复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0817-Ref.:Hogervorst,JSSCDec.1994,1505-15123mApk版权©2011，版权所有，侵犯必究目录目录目录目录为什么轨到轨？为什么轨到轨？3倍电流镜轨到轨放大器3倍电流镜轨到轨放大器齐纳二极管轨到轨放大器1/4电流控制轨到轨放大器15V电流调节轨到轨放大器1.5V电流调节轨到轨放大器1.3V电源调节轨到轨放大器其他轨到轨放大器和比较复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0818-版权©2011，版权所有，侵犯必究齐纳二极管齐纳二极管齐纳二极管齐纳二极管DDSDDSZDBEonGSZTElectronicZenerElectronicZener复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0819-版权©2011，版权所有，侵犯必究接齐纳二极管的轨到轨输入级接齐纳二极管的轨到轨输入级11接齐纳二极管的轨到轨输入级接齐纳二极管的轨到轨输入级11DDBDDmpmnmpmnIN+IN-ZBBGSGSVVVB复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0820-ZGSnGSpVVVSS版权©2011，版权所有，侵犯必究接齐纳二极管的轨到轨输入级接齐纳二极管的轨到轨输入级22接齐纳二极管的轨到轨输入级接齐纳二极管的轨到轨输入级22GSGSVVV复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0821-ZGSnGSpVVV版权©2011，版权所有，侵犯必究接电子齐纳二极管的轨到轨输入级接电子齐纳二极管的轨到轨输入级接电子齐纳二极管的轨到轨输入级接电子齐纳二极管的轨到轨输入级DDBDDBmpmnmpmnIN+IN-ZBB复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0822-SS版权©2011，版权所有，侵犯必究接齐纳二极管的轨到轨放大器接齐纳二极管的轨到轨放大器::性能性能接齐纳二极管的轨到轨放大器接齐纳二极管的轨到轨放大器::性能性能HighcurrentHighSR!mmtotHighSR!mtotmtotmpmnSSDDDDVDDINCMZener:ElectronicZener:mm∆/25%ggmm∆/6%ggSSDDDD复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0823-Ref.:Hogervorst,JSSCJuly1996,1035-1040mmmm版权©2011，版权所有，侵犯必究目录目录目录目录为什么轨到轨？为什么轨到轨？3倍电流镜轨到轨放大器3倍电流镜轨到轨放大器齐纳二极管轨到轨放大器1/4电流控制轨到轨放大器15V电流调节轨到轨放大器1.5V电流调节轨到轨放大器1.3V电源调节轨到轨放大器其他轨到轨放大器和比较复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0824-版权©2011，版权所有，侵犯必究最大电流计算电路最大电流计算电路最大电流计算电路最大电流计算电路GS3GS2GS1GS4VVVVβIβIpp,maxnn,maxmpmnβIβIgg复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0825-Ref.:Ref.Lin,AICSP1999,153-162版权©2011，版权所有，侵犯必究1/41/4电流控制电路电流控制电路1/41/4电流控制电路电流控制电路In,max1.25In,maxVDDMB8MA12MPMB124:1MA1MA2MP1MP2MN1MN2IpMA11MA8MA7MA4MA3MB13vIN+vIN-IIp,maxIII1:167I/4I/4MA10MA9MA6MA5MNInInInIp1:1VSSIp,max/4In,max/46SGA11GSB13SGA4GSA37VVVVVVgβIβIβIβISS复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0826-mTnnpppp,maxnn,maxgβIβIβIβI版权©2011，版权所有，侵犯必究恒定跨导的电流控制电路恒定跨导的电流控制电路::ggtttt恒定恒定恒定跨导的电流控制电路恒定跨导的电流控制电路::ggmtotmtot恒定恒定mmtotmtotmpmnSSDDINCMDDVDDSSDDDD复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0827-版权©2011，版权所有，侵犯必究与工艺无关的轨到轨运放与工艺无关的轨到轨运放与工艺无关的轨到轨运放与工艺无关的轨到轨运放复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0828-版权©2011，版权所有，侵犯必究目录目录目录目录为什么轨到轨？为什么轨到轨？3倍电流镜轨到轨放大器3倍电流镜轨到轨放大器齐纳二极管轨到轨放大器1/4电流控制轨到轨放大器15V电流调节轨到轨放大器1.5V电流调节轨到轨放大器1.3V电源调节轨到轨放大器其他轨到轨放大器和比较复旦大学射频集成电路设计研究小组唐长文-0829-版权©2011，版权所有，侵犯必究弱反型区弱反型区ggtttt恒定恒定弱反型区弱反型区ggmtotmtot恒定恒定mnmpctggmnmpgIgIBnnBppct/k/kInInTqTqnBppnBnctInnIDBS()1CVnC