7、离散运算放大器的设计、分析与仿真

离散运算放大器的设计、分析与仿真

1. 离散运算放大器设计起步

从使用离散组件设计离散运算放大器开始。此设计并非最先进的，但设计过程能展现大多数单片集成电路运算放大器中存在的各种构建模块，还能帮助理解实际运算放大器的局限性。

2. 差分输入级

在运算放大器中，需要某种形式的差分输入级。一种可能的实现方式是电流镜负载差分输入级，其组件包括：
- 差分输入晶体管 Q1 和 Q2。
- 电流镜晶体管 Q3 和 Q4。
- 偏置电流源 Ibias（细节省略）。

对 vin+ 进行直流扫描（vin - 接地），可了解输入级的电压偏移。理想情况下，希望输出 v1 在 vin+ ≈ 0 V 时处于（近似）线性增益区域的中间。但实际上，由于器件不匹配和 Q3 / Q4 电流镜的误差，电压偏移不会为零。SPICE 仿真显示，当 vin+ 从约 -15 mV 变化到接地时，v1 的输出从近似接地过渡到近似 +12 V，该级增益（vo1 / vin+）约为 1000。

在 vin+ 处施加 -10 mV 的直流偏置，并输入 200 - μV 峰 - 峰、1 - kHz 的正弦波。此时 v1 的直流偏置电平为 +4.656 V，意味着 Q2 和 Q4 都导通且处于正向有源区，在此条件下晶体管有有源增益，从 vin+ 到 v1 的增益约为 575。

3. 缓冲和电平转换

随着设计的推进，需要更多晶体管来实现缓冲和电平转换功能。v1 输出仅为正电压，而实际放大器输出需有正有负电压，因此需要对差分级的输出电压进行电平转换。一种方法是使用折叠共源共栅放大器，折叠共源共栅（Q5 以及偏置电流源 I