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[原创] 差分运放输入失调分析

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发表于 2017-12-24 21:54:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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上期分析了常用结构电流镜的失调,这一期,我们分析下运算放大器(Opamp)或运算跨导放大器(OTA)、比较器等的输入失调电压。

划重点先:

1、举例说明失调的影响。

2、常见运放结构的失调贡献因素。

3、结合具体工艺估算失调。

4、失调的仿真方法和结果验证。


其实说到运放的失调,相信学微电子,第一天接触到运放时,都能学到这个概念,和有限增益,有限带宽,有限摆率一样都是运放重要的非理想因素。

我们先举个简单的例子,说明失调电压对于运放应用的影响。如图1所示,反相放大器,如果不考虑输入失调电压时,其增益约为-R2/R1。在考虑到输入失调电压Vos时,可以看到等效输入失调电压Vos被放大,并贡献到了输出电压。

运放失调上1b.png

图1

比如在bandgap voltage reference或temperature sensor电路中“钳位”的运放。其输入失调电压就会如图1中的效果,贡献到输出电压上,可能会导致最终的测试结果偏离设计值。

另一个需要充分考虑失调的地方就是比较器。失调电压的存在会降低比较器的灵敏度。在高精度的比较器中,需要有失调消除的设计考虑。

所以运放的设计过程,需要充分考虑应用场合对失调的要求。充分考虑失调的来源和贡献比例,合理选择结构和器件尺寸,折衷考虑和权衡各指标的矛盾。

下面举例几个简单差分结构。图2为最简单的电阻负载。其中β的偏差包含了器件尺寸宽长比的偏差,Foundry会提供β的标准差的近似表达式。gm/I用于表征输入对管的工作区域。可以看到通过降低输入对管的过驱动电压,可以降低负载电阻和对管β的失配贡献。

运放失调上2.png

图2

图3给电流源负载的差分运放的等效输入失调表达式。通过增大gm1,2和减小gm3,4可以减小总的输入失调电压。

运放失调上3.png

图3

图4给出了较复杂的折叠共源共栅(folded-cascode)的等效输入失调表达式。

运放失调上4.png

图4

对于图4的差分结构,使用某Foundry的28nm工艺,搭了个简单的电路。电路关键器件的尺寸如图5所示。

运放失调上5.png

图5

PDK提供的器件阈值和β的失配和器件尺寸的关系如图6所示。可以看到通过增加器件的面积,是个比较“笨”的方式减小失配。

运放失调上6.png

图5

结合图4和图5的信息,可以计算出关键器件的阈值和β的失配的标准差。

运放失调上7.png

图6

图7给出图4电路的失配估算,计算结果约为2.84mV。注意这里忽略的cascode管子M7~M10的失配贡献。

运放失调上8.png

图7

输入失配电压主要通过Monte Carlo仿真得到。一种是开环的方式,通过DC或瞬态扫描,得到输出电压跳变时对应的输入电压差;另一种是闭环的方式,利用单位增益缓冲器直接得到输入输出的DC电压差。

运放失调上10.png

图8

图9给出了1000次MC仿真结果,标准差为3.5mV,比估算值偏大。

运放失调上9.png

图9

好了,这期内容就到这里了,下一期,我们就学习下运放的失调消除方法。


更多内容,请关注小牛牛的公众号哟~

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发表于 2017-12-25 09:17:20 | 显示全部楼层
讲的很详细,感谢楼主分享!
发表于 2018-4-2 11:36:12 | 显示全部楼层
讲的非常好,感谢楼主分享!
发表于 2018-4-3 14:01:54 | 显示全部楼层
赞~!~!~
发表于 2018-4-3 18:34:35 | 显示全部楼层
回复 1# 131v1vv


   4TGRTHSRG
发表于 2018-4-6 13:50:57 | 显示全部楼层
赞……
发表于 2018-8-9 16:05:14 | 显示全部楼层
好文章,仔细看看
发表于 2018-12-24 14:12:35 | 显示全部楼层
多谢很好的分享
发表于 2018-12-25 09:15:29 | 显示全部楼层
感谢分享
发表于 2019-1-10 14:50:22 | 显示全部楼层
楼主,差分输出应该怎么搭TB呢
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