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Vind Vinc
图 11…4 共模增益，差模增益的测试原理图
Add
KCMRR = （11…3）
Adc
差模电压增益越大，共模电压增益越小， 则共模抑制能力越强。放大电路的性能越优
良，因此希望KCMRR 值越大越好。共模抑制比有时，也用分贝（dB）数来表示：
Add
KCMRR =20 lg dB （11…4）
Adc
109
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11。1。8 功耗
由于越来越多运算放大电路应用于便携式设备以及电池电源供电，电路的功耗就值得
关注了。特别是现在的笔记本电脑， 由于发热以及工作时间等问题，对电脑性能有一定的
影响，也对使用者引起一些不方便。
所以减小功耗能够使得系统更加精简，也使得电源的寿命更长久，而且也能使得芯片
在一个适当的温度下工作。
11。1。9 噪声
噪声限制了电路能够正确处理的最小信号电平，所以它与功耗、速度、线性度之间是
相互制约，是一个重要的参数。
而集成电路处理的模拟信号主要会受到两重不同类型的噪声损坏（corrupt）：器件噪声
和“环境”噪声，环境噪声（表面上）指电路所受到的电源或地线或者衬底的随即干扰。这
里主要讨论器件噪声：热噪声和闪烁噪声（1/f）的概念，在后面的电路分析中会对其影响做
详细的说明。
热噪声： 由导体中的电子随机热运动产生，也称之为约翰逊噪声，其表达式为
_
V 2 =4KTR Δf （11…5）
其中k是波尔兹曼常数，R是热噪声等效电阻。
MOS晶体管也有热噪声，最大噪声是在沟道中产生，可以证明，对于工作在饱和区的长
沟道MOS器件，可以用一个连接在漏源两端的电流源来模拟，如图 9…5，其谱密度为：
I 2 = 4KTγ gm （11…6）
在长沟道器件中，γ一般取值为 2/3，在亚微米模型中，还有待研究。
闪烁噪声（1/f噪声）：是由半导体中的载流子的陷阱随机捕获或者释放载流子而形成。
在实际中，其噪声平均功率并不容易测得。1/f噪声一般作为一串联于晶体管栅极的电压源，
在低频时起主要作用。
I 2= 4KTγ g
n m
图 11…5 MOS 管的等效热噪声
典型的噪声功率密度表达式为：
110
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2 K 1
=
Vn COX WL * Δf （11…7）
11。2 CMOS 运算放大器的设计
图 11…6 常用的两级运算放大器框图
CMOS运算放大器在结构上非常类似于双极型运算放大器。差分跨导级构成了运算放大
器的输入级，有时会提供一个差分到单端的转换。通常，恰当的总增益由差分输入级提供，
可以改善噪声和失调性能。第二级通常是反相器，如果差分输入级没有完成差分至单端的
转换，那么这个工作应该由第二级的反相器完成。如果运算放大器必须驱动一个低电阻负
载，第二级后必须增加一级缓冲级，用于降低输出电阻，维持大的信号摆幅。偏置电路用
于为每只晶体管建立适当的静态工作点，而采用补偿电路可以达到稳定的闭环特性。
11。2。1 运算放大器分类和结构
表 11－1 CMOS 运算放大器分类
111
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根据上表的分类，两个主要的运算放大器结构如下：
图 11…7 标准两级 CMOS 运算放大器拆分成电压－电流级和电流－电压级
图 11…8 分级的折叠共源共栅运算放大器
11。2。2 典型的无缓冲 CMOS 运算放大器指标特性
开始着手实际设计之前，所有对设计给出导向的要求和边界条件都必须明确。下面列
出必须考虑的问题。
边界条件：
V ' COX
①工艺规范（ T 、K 、 等等）
②电源电压范围
③电源电流范围
④工作温度范围
112
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要求：
①增益
②增益带宽
③建立时间
④摆率
⑤输入共模范围ICMR
⑥共模抑制比CMRR
⑦电源电压抑制比PSRR
⑧输出电压摆幅
⑨输出电阻
⑩失调
①①噪声
①②版图面积
表 11…2 典型的无缓冲 CMOS 运算放大器特性
一般来说，设计一个CMOS运算放大器，有以下几个步骤：
（1）确定合适的结构
仔细研究过技术指标后，确定所需要的结构类型。比如，如果要求非常小的噪声和失
调，那么这个结构必须在输入级提供高增益。如果需要低功耗，那么甲乙类输出级也许是
必要的。这又决定了必须使用的输入级类型。很多情况下，必须构造一定的结构以满足特
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定的应用。
（2）确定满足指标所需要的补偿类型
有很多方法可以对运算放大器做出补偿。某些独特的方式适用于某些结构或指标。例
如，必须驱动非常大的容性负载的运算放大器应该在输出端进行补偿。如果是这样，就要
求确定所需输入和输出级的类型。在设计过程的第 1 步和第 2 步之间，反复是必然的。
（3）设计管子尺寸以满足直流、交流和瞬态性能
根据近似公式从手工计算开始，补偿元器件的尺寸也在这一