AD组组会专题：放大器
by- Linzlun
运放与OTA
总共有四种放大器，电压放大器，电流放大器，跨导放大器，跨阻放大器。对于ADC而言，常用的有电压放大器（OPAMP）以及跨导放大器（OTA）。
两种放大器的不同在于其输出阻抗，这决定了其应用的场合。而OTA通常驱动电容，OPamp则可以驱动电阻（阻抗低），起到传递电压的作用。
在ADC中，开关电容电路用OTA，而基准的buffer则需要强大的驱动能力，用OPamp。
两者的关系可以等效为：
如果用OTA驱动电阻，由于其高增益都是靠高的ro来获得，但是与输出（反馈）电阻并联后，就会变得很小，因而损失增益。
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
上述各类的对比：
运算放大器 2014/9/19由于增益压缩效应，会使得输出大的时候，增益会变小，这是大信号特性，是没有办法通过小信号模型仿出来的，需要单独拉出来做仿真验证。
运算放大器 2014/9/19P管与N管的输入电阻阻抗曲线。
本增增益与Vds曲线。可以看出Vds工作点会直接影响到其本增增益。因而需要与输出摆幅折中，设置合适的Vds
运算放大器 2014/9/19对于管子尺寸的选取，由于实际应用中的模型比书本上模型复杂很多，直接用萨方程算出来的尺寸与仿真的结果会有较大的误差。因而实际应用中并不会采用用公式算的方法，有种快速获得尺寸的方法gm/Id的
方法。不过在这里不做具体说明。
这里是gm/Id的演示。
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
如何设计一个运放？
以下面这个电路为例子：
1. 确定运放的需求即运放的增益，带宽，摆幅等。这边要根据具体的应用去推了。
运算放大器 2014/9/19
总的来说，直流增益看所需要的精度，然后用闭环下去推，而带宽根据稳定时间用单极点的稳定模型去推。
2. 选结构：
参考上面所将的内容3.
将开环电路搭出来
由于采用差分电路，这边在一开始搭的时候就需要共模反馈电路，不过采用的是理想的共模反馈从而确定电路的直流工作状态。
4. 分配电路各点的直流工作电压。
这里涉及了关于Vds的选定，也是要综合考虑摆幅，增益
Vds越大，增益越高（上面已经有图证明）
在尾电流的时候需要分配较大的Vds，确保尾电流的MOS不进入线性区，这边是具有最高优先级了，如果尾电流跑偏掉的话，整个电流有写歇菜了。
先用简化的偏置电路和共模反馈电路模型来为主级电路服务。因此所以在做运放的时候偏置先用简化的来做。这样做的好处是
第一：在主级电路的仿真中我们可以很灵活地调整电路模型的参数来优化电路工作点。 第二：主级电路设计完毕后，这些优化的参数可用作偏置电路和共模反馈电路设计的目标。偏置电路模型：对于OTA来说，其性能由各个支路的电流决定，偏置电路的任务是给主级电路各支路设定稳定而合适的直流电流。在主级电路中，对偏置电流来说，最敏感的偏置电压是vb1，而对vb2~vb5均不敏感。因此，vb1不能由一个固定的直流电平来设定，因为，在不同的工艺corner下，或者由于工艺中的随机变化，固定的vb1会带来较大的偏置电流的变化。
5. Vds以及电流等各种参数确定之后，管子的尺寸也就确定下来，获得管子尺寸有许多方法，不过差别只是速度快慢的问题。这个步骤是初步确定电路的直流工作状态。
首先确定确定gm的输入管：一般而言，gm需要从GBW（GBW = Gm/(2πCL) ）以及压摆率来考虑，不过从本身设计的经验以及从其他地方得到的业内的经验而言，GBW会是其限制因素，一般不
会去考虑压摆率。
运算放大器 2014/9/19
6. 确定直流工作点没有问题之后，对电流进行交流仿真：注意需要再各个工艺都要满足条件
在所有的corner下，所得到OTA的最大GBW可为最小GBW的1.5倍，因此，在设计中，为了保证GBW总是大于100MHz，我们需要将TT情况下的GBW设计得大一些，比如说是指标的1.5倍。
7. 增益与输出摆幅：
由于增益与输出的摆幅有关（增益压缩效应--》由于摆幅增大->导致Vds变小->ro变小->A变小），在这一步验证在越大摆幅的时候也会有足够的增益。这里用的方法是用小信号增益来衡量，因为从上面知道，小信号的增益比大信号增益要小，如果小信号可以的话，大信号增益也会满足的。仿真方法是在输入小信号直流信号（比如1uV）,然后扫描输出共模电平，来模拟单端输出的情况。
因此得到的有效着呢工艺范围也由单端摆幅。
如果摆幅不足，需要对直流工作电平做调整，而如果直接调整Vds而不做其他调整，会使得增益减小，通常的方法是增大管子的尺寸，然后减小Vds。通常Vdsat与Vds的关系为：VDS ~=VDSSAT+0.1经过调整之后：
8. 测试输入电平不足或者太高的时候是否满足条件，如3.3V--》3V。
9. PSRR CMRR的测试（仿真的课本都可以找得到）
测量共模干扰以及电源电压纹波干扰的时候，电路差分输出的抑制。
不过这部分大部分都是结构确定的，如果这部分满足不了的话，先检查是否电路里面有不对称的部分，真不满足的话麻烦就大嘞。10.
在所有直流系数调整完之后，最后再验证带宽增益等是否还满足：11.
品质因素的概念
将响应的数据代入，可得到所设计的OTA的FOM值> 422，这是一个非常好的结果。12. 完善偏置电路。
13. 设计共模反馈电路
AD组组会专题：放大器
by- Linzlun
运放与OTA
总共有四种放大器，电压放大器，电流放大器，跨导放大器，跨阻放大器。对于ADC而言，常用的有电压放大器（OPAMP）以及跨导放大器（OTA）。
两种放大器的不同在于其输出阻抗，这决定了其应用的场合。而OTA通常驱动电容，OPamp则可以驱动电阻（阻抗低），起到传递电压的作用。
在ADC中，开关电容电路用OTA，而基准的buffer则需要强大的驱动能力，用OPamp。
两者的关系可以等效为：
如果用OTA驱动电阻，由于其高增益都是靠高的ro来获得，但是与输出（反馈）电阻并联后，就会变得很小，因而损失增益。
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
上述各类的对比：
运算放大器 2014/9/19由于增益压缩效应，会使得输出大的时候，增益会变小，这是大信号特性，是没有办法通过小信号模型仿出来的，需要单独拉出来做仿真验证。
运算放大器 2014/9/19P管与N管的输入电阻阻抗曲线。
本增增益与Vds曲线。可以看出Vds工作点会直接影响到其本增增益。因而需要与输出摆幅折中，设置合适的Vds
运算放大器 2014/9/19对于管子尺寸的选取，由于实际应用中的模型比书本上模型复杂很多，直接用萨方程算出来的尺寸与仿真的结果会有较大的误差。因而实际应用中并不会采用用公式算的方法，有种快速获得尺寸的方法gm/Id的
方法。不过在这里不做具体说明。
这里是gm/Id的演示。
运算放大器 2014/9/19
运算放大器 2014/9/19
如何设计一个运放？
以下面这个电路为例子：
1. 确定运放的需求即运放的增益，带宽，摆幅等。这边要根据具体的应用去推了。
运算放大器 2014/9/19
总的来说，直流增益看所需要的精度，然后用闭环下去推，而带宽根据稳定时间用单极点的稳定模型去推。
2. 选结构：
参考上面所将的内容3.
将开环电路搭出来
由于采用差分电路，这边在一开始搭的时候就需要共模反馈电路，不过采用的是理想的共模反馈从而确定电路的直流工作状态。
4. 分配电路各点的直流工作电压。
这里涉及了关于Vds的选定，也是要综合考虑摆幅，增益
Vds越大，增益越高（上面已经有图证明）
在尾电流的时候需要分配较大的Vds，确保尾电流的MOS不进入线性区，这边是具有最高优先级了，如果尾电流跑偏掉的话，整个电流有写歇菜了。
先用简化的偏置电路和共模反馈电路模型来为主级电路服务。因此所以在做运放的时候偏置先用简化的来做。这样做的好处是
第一：在主级电路的仿真中我们可以很灵活地调整电路模型的参数来优化电路工作点。 第二：主级电路设计完毕后，这些优化的参数可用作偏置电路和共模反馈电路设计的目标。偏置电路模型：对于OTA来说，其性能由各个支路的电流决定，偏置电路的任务是给主级电路各支路设定稳定而合适的直流电流。在主级电路中，对偏置电流来说，最敏感的偏置电压是vb1，而对vb2~vb5均不敏感。因此，vb1不能由一个固定的直流电平来设定，因为，在不同的工艺corner下，或者由于工艺中的随机变化，固定的vb1会带来较大的偏置电流的变化。
5. Vds以及电流等各种参数确定之后，管子的尺寸也就确定下来，获得管子尺寸有许多方法，不过差别只是速度快慢的问题。这个步骤是初步确定电路的直流工作状态。
首先确定确定gm的输入管：一般而言，gm需要从GBW（GBW = Gm/(2πCL) ）以及压摆率来考虑，不过从本身设计的经验以及从其他地方得到的业内的经验而言，GBW会是其限制因素，一般不
会去考虑压摆率。
运算放大器 2014/9/19
6. 确定直流工作点没有问题之后，对电流进行交流仿真：注意需要再各个工艺都要满足条件
在所有的corner下，所得到OTA的最大GBW可为最小GBW的1.5倍，因此，在设计中，为了保证GBW总是大于100MHz，我们需要将TT情况下的GBW设计得大一些，比如说是指标的1.5倍。
7. 增益与输出摆幅：
由于增益与输出的摆幅有关（增益压缩效应--》由于摆幅增大->导致Vds变小->ro变小->A变小），在这一步验证在越大摆幅的时候也会有足够的增益。这里用的方法是用小信号增益来衡量，因为从上面知道，小信号的增益比大信号增益要小，如果小信号可以的话，大信号增益也会满足的。仿真方法是在输入小信号直流信号（比如1uV）,然后扫描输出共模电平，来模拟单端输出的情况。
因此得到的有效着呢工艺范围也由单端摆幅。
如果摆幅不足，需要对直流工作电平做调整，而如果直接调整Vds而不做其他调整，会使得增益减小，通常的方法是增大管子的尺寸，然后减小Vds。通常Vdsat与Vds的关系为：VDS ~=VDSSAT+0.1经过调整之后：
8. 测试输入电平不足或者太高的时候是否满足条件，如3.3V--》3V。
9. PSRR CMRR的测试（仿真的课本都可以找得到）
测量共模干扰以及电源电压纹波干扰的时候，电路差分输出的抑制。
不过这部分大部分都是结构确定的，如果这部分满足不了的话，先检查是否电路里面有不对称的部分，真不满足的话麻烦就大嘞。10.
在所有直流系数调整完之后，最后再验证带宽增益等是否还满足：11.
品质因素的概念
将响应的数据代入，可得到所设计的OTA的FOM值> 422，这是一个非常好的结果。12. 完善偏置电路。
13. 设计共模反馈电路