CMOS恒跨導(dǎo)運算放大器設(shè)計第一頁，共43頁。1跨導(dǎo)運算放大器簡介2CMOS恒跨導(dǎo)運算放大器設(shè)計CMOS恒跨導(dǎo)運算放大器設(shè)計第二頁，共43頁。1跨導(dǎo)運算放大器簡介（1）概述

跨導(dǎo)運算放大器(OperatinoalTransconductanceAmplifier,簡稱OAT)是一種電壓輸入、電流輸出的電子放大器,是一種電壓控制的電流源?？鐚?dǎo)放大器的增益是輸出電流與輸入電壓的比值,量綱為電導(dǎo),單位為西門子(S)。由于跨導(dǎo)放大器內(nèi)部只有電壓一電流變換級和電流傳輸級,沒有電壓增益級,因此沒有大擺幅電壓信號和米勒電容增倍效應(yīng),高頻性能好,大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高,同時電路結(jié)構(gòu)簡單,電源電壓和功耗都比較低。第三頁，共43頁。（2）跨導(dǎo)運算放大器模型

●OTA的符號如圖所示,它有兩個輸入端,一個輸出端,一個控制端。符號上的“+”號表示同相輸入端,“一”表示反相輸入端,是輸出電流,是偏置電流,即外部控制電流。

●OTA的傳輸特性用下列方程式描述：其中輸出電流(A)；是差模輸入電壓(V)；G是開環(huán)增益(S),稱為跨導(dǎo)增益。

●在小信號下,跨導(dǎo)增益G是偏置電流的線性函數(shù),其關(guān)系式為：

h稱為跨導(dǎo)增益因子,稱是熱電壓,在室溫條件下(T=300K)下,=26mv,可以計算出h=19.2(1/V)OTA的電路符號第四頁，共43頁。（3）OTA的小信號理想模型●根據(jù)上式傳輸特性方程式,可畫出OTA的小信號理想模型如圖所示?！駥τ谶@個理想模型,兩個電壓輸入之間開路,差模輸入電阻為無窮大；輸出端是一個受差模輸入電壓控制的電流源,輸出電阻為無窮大。同時,理想跨導(dǎo)放大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬度等參數(shù)均為無窮大,輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等參數(shù)均為零。OTA的小信號理想模型第五頁，共43頁。2CMOS恒跨導(dǎo)運算放大器的設(shè)計（1）設(shè)計指標(biāo)

●

工作電壓：2.7V

●直流開環(huán)增益：90dB

●相角裕度：

●增益帶寬積：1.4MHz

●負載電容：25pF第六頁，共43頁。（2）運算放大器原理框圖●輸入級采用互補差分對結(jié)構(gòu)，使共模輸入電壓范圍達到軌到軌，通過3倍電流鏡控制尾電流使輸入級總跨導(dǎo)恒定?！裰虚g級為增益提高級，通過反饋增大輸出阻抗提高增益?！褫敵黾壊捎肁B類結(jié)構(gòu)，通過米勒補償控制零點使系統(tǒng)穩(wěn)定，此運放可用于低壓低功耗電子設(shè)備中?？鐚?dǎo)運算放大器工作原理第七頁，共43頁。（3）輸入級電路原理圖●M1和M2為對PMOS的差分對管，M3和M4為NMOS差分對管，M5和M8為控制尾電流的開關(guān)管。其中，M1和M3接正的輸入信號IN+，M2和M4接負的輸入信號IN-?！癞?dāng)Vcm接近于Vss時，M1和M2差分對管導(dǎo)通，PMOS電流開關(guān)管M8截止，NMOS開關(guān)管M5導(dǎo)通，則電流被M5抽走，經(jīng)過1:3電流鏡M6和M7后注入到中，為M1和M2提供4倍尾電流；●當(dāng)Vcm接近于Vdd時，M3，M4和M8導(dǎo)通，M5截止，則尾電流經(jīng)開關(guān)管M8和1:3電流鏡M9和M10給輸入管M3和M4提供4倍尾電流；●當(dāng)Vcm處于中間狀態(tài)時，互補差分輸入管M1，M2，M3，M4均工作，開關(guān)管M5和M8均截止，此時只有和提供尾電流，從而電路跨導(dǎo)保持恒定。（Vcm為共模輸入電壓）3倍電流鏡輸入級電路圖第八頁，共43頁。（4）增益級

●本設(shè)計的運算放大器利用反饋增大輸出阻抗，實現(xiàn)高直流增益，放大輸入級產(chǎn)生的兩對差分輸入電流與，運算放大器A1和A2為晶體管M14和M18提供電壓增益，最終放大的信號驅(qū)動輸出晶體管M26和M22的柵端。增益提高的AB類運算放大器第九頁，共43頁。●增益級簡化電路本設(shè)計采用增益自舉式結(jié)構(gòu)，通過反饋增大輸出阻抗。如圖a，在增益自舉式結(jié)構(gòu)中，前跨導(dǎo)級把輸入電壓轉(zhuǎn)化為輸入電流，共源共柵晶體管M用于放大電流，運算放大器A用來控制M的柵極。變化的電流流經(jīng)M的溝道和有限的源端阻抗，在M的源端產(chǎn)生一個小的變化電壓，調(diào)制了輸入電流。電路中形成反饋回路，從而A把源端電壓固定在參考電壓Vref上。這強迫流經(jīng)源端阻抗的電流減少，輸入電流全部流入共源共柵晶體管M。所有流入M端的電流再次出現(xiàn)在M端的漏端，此時電路可視為一個極高輸出阻抗的理想電流源。增益提高簡化電路第十頁，共43頁?！裥⌒盘柕刃щ娐?/p>

對CMOS增益提高電路進行小信號分析，如圖b其中V0為M的源端電極，V1為M的柵源電壓差，為M的漏極輸出電壓，為M的漏極輸出電流由上式可以得到輸出阻抗：而單共源共柵電路的輸出阻抗為：電路的小信號分析表明輸出阻抗值增大。增益提高的小信號等效電路第十一頁，共43頁?！褫敵黾壿敵黾壊捎肁B類結(jié)構(gòu)，增強了電路驅(qū)動能力，并提高了電源效率。電容與電阻串聯(lián)構(gòu)成米勒補償，控制波特圖右半平面的零點，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。增益提高的AB類運算放大器第十二頁，共43頁。

謝謝！第十三頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第十四頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第十五頁，共43頁。?微弱信號概述?微弱信號相關(guān)檢測技術(shù)?相關(guān)檢測的應(yīng)用—鎖定放大器第十六頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第十七頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第十八頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第十九頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第二十頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第二十一頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第二十二頁，共43頁。請在此輸入您的標(biāo)題請在此輸入您的文本。第二十三頁，共43頁。微弱信號概述微弱信號的定義有用信號的幅度，相對于噪聲顯得很微弱。如輸入信號的信噪比為10-2或者更小，即信號完全淹沒在噪聲之中。有用信號的幅度絕對值很小，如檢測v、nV乃至pV量級的電壓信號；檢測每秒鐘多少個光子的弱光信號與圖象。第二十四頁，共43頁。科學(xué)研究中經(jīng)常常需要檢測極微弱的信號，例如：生物學(xué)中細胞發(fā)光特性、光合作用、生物電天文學(xué)中的星體光譜化學(xué)反映中的物質(zhì)生成過程物理學(xué)中表面物理特性光學(xué)中的拉曼光譜、光聲光譜、脈沖瞬態(tài)光譜微機電系統(tǒng)（MEMS）的微位移、微力、微電流、電壓等第二十五頁，共43頁。微弱信號檢測任務(wù)：提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號。方法：分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律（如噪聲幅度、頻率、相位等）研究被測信號的特點（頻譜與相關(guān)性等)傳統(tǒng)的檢測方法有：濾波技術(shù)，調(diào)制解調(diào)技術(shù)，相關(guān)檢測技術(shù)，取樣積分，自適應(yīng)噪聲抵消等新的檢測方法有：小波變換，混沌理論第二十六頁，共43頁。微弱信號檢測的進展美國吉時利(KEITHLEY)儀器公司是當(dāng)前世界上微弱信號檢測的先驅(qū)，水平如下物理量檢測靈敏度電流1×10-17A電壓1×10-12V電阻1×10-10Ω電容1×10-17F電荷1×10-17C溫差1×10-6℃第二十七頁，共43頁。1.信噪比SNRSNR越高，測量誤差越小。微弱信號檢測的目的就是使SNR1或SNR12.信噪改善比SNIRSNIR越高，測量系統(tǒng)檢測微弱信號的能力越強第二十八頁，共43頁。微弱信號相關(guān)檢測技術(shù)

信號與噪聲有本質(zhì)區(qū)別。信號是有規(guī)律的，能夠重復(fù)，其后續(xù)信號與早先信號是有關(guān)聯(lián)的，信號可以用一個確定的時間函數(shù)來描述;而噪聲恰恰相反，不能用一個確定的時間函數(shù)來描述。因此，可利用信號自身存在的規(guī)律(即相關(guān)性）來尋找信號，也可以利用一個與被測信號規(guī)律性(二者之間也有相關(guān)性）部分相同的已知信號來尋找被測信號，達到去除噪聲的目的，這就是相關(guān)性原理的基本點。相關(guān)檢測技術(shù)就是根據(jù)相關(guān)性原理，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲，達到檢測微弱信號的一種技術(shù)。第二十九頁，共43頁。一、相關(guān)函數(shù)的定義與計算功率有限信號的自相關(guān)函數(shù)兩個功率有限信號的互相關(guān)函數(shù)第三十頁，共43頁。二、自相關(guān)檢測基本原理利用信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，達到去除噪聲的目的基本原理是從強噪聲中提取弱信號的重要手段。實現(xiàn)方法混有噪聲的信號送入相關(guān)接收機兩個通道（不延時和延時）相乘器積分器第三十一頁，共43頁。自相關(guān)檢測理論推導(dǎo)信號的自相關(guān)函數(shù)在一般情況下，噪聲和信號不相關(guān)，有此外，若時延足夠大，則所以時延足夠大時，只輸出信號自身的相關(guān)函數(shù)第三十二頁，共43頁。三、互相關(guān)檢測1、基本原理：若已知發(fā)送信號的重復(fù)周期或頻率，就可在接收端發(fā)出一個與發(fā)送信號周期相同的“干凈的”重復(fù)周期信號，稱為本地信號，將它與混有噪聲的輸入信號進行互相關(guān)，即可除去噪聲的影響，提高電路的抗干擾能力。第三十三頁，共43頁。2、互相關(guān)檢測實現(xiàn)方法輸入信號與本地信號送入相關(guān)接收機的兩個通道（輸入信號不延時、本地信號延時）相乘器積分器第三十四頁，共43頁。3、互相關(guān)檢測理論推導(dǎo)若噪聲與信號不相關(guān)，則所以互相關(guān)接收機只有信號與本地信號的相關(guān)輸出， 去掉了噪聲項，因此提高了輸出的信噪比第三十五頁，共43頁。四、互相關(guān)檢測的應(yīng)用—鎖定放大器利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相干檢測儀，對檢測信號和參考信號進行相關(guān)運算的電子設(shè)備。工作原理第三十六頁，共43頁。鎖定放大器理論推導(dǎo)設(shè)輸入信號：其中，為隨機噪聲，為有用信號，A為其幅值，角頻率為，初相角為參考信號：其中B為幅值，是時間位移，為隨機噪聲，則兩者的相關(guān)函數(shù)為：

=由于在被測量的信號里所包含的各種信號分量中,參考信號Y(t)的頻率只與輸入的有用信號頻率相關(guān)，與隨機噪聲N(t)的頻率不相關(guān)，且有用信號S(t)與隨機噪聲

M（t）之間及噪聲與噪聲之間的頻率也均相互獨立，所以它們的相關(guān)函數(shù)為零即=

0,從而令鎖相放大器實現(xiàn)了從噪聲中提取有用信號的目的。

第三十七頁，共43頁。鎖定放大器的特點

把待測信號中與參考信號同步的信號放大并檢測出來。交流輸入，直流輸出：輸出電壓正比于輸入信號幅度和被測信號與參考信號相位差的余弦。極高的放大倍數(shù)：若有前置放大器，總增益可達1011。能檢測極微弱的信號。靈敏度：滿刻度靈敏度v、nv、pv信噪改善比：可達104噪聲大于信號數(shù)千倍仍能正常檢測，具有極強的抗干擾能力。第三十八頁，共43頁。鎖定放大器的構(gòu)造基本構(gòu)成：信號通道，參考通道，相關(guān)器

鎖定放大電路的工作原理信號輸入前置放大及濾波處理相敏檢波低通濾波參考信號輸入通道移相直流放大信號輸出第三十九頁，共43頁。鎖定放大器各部分功能說明信號通道：將弱信號放大到足以推動相關(guān)器工作前置放大器：要求低噪聲、高增益，放