光发射器和感受器的电路设计

在本文的第1部分中，我提供了必要的公式，为双极性输入运算放大器（运算放大器）开发自己的宏模型。在第2部分中，我们研究了CMOS输入和输出拓扑。现在在第3部分中，我们推导出纯双极性工艺的必要方程式，轨到轨输入和输出运算放大器。

正如我们在前两部分所做的那样，突出显示的方程插入到网表。蓝色方程式用于您自己的观察目的，而网表末尾的模型参数中可能需要红色方程式。

首先，您需要指定以下规格：电源电压，开环增益，单位增益带宽，压摆率，输入失调电压，输入失调电流，相位裕度，温度。稍后在输出部分我们得到其他参数，如开环输出阻抗，短路电流和电压输出摆幅。

轨到轨输入级

与非轨到轨输入级不同，我们需要两个差分对PNP和NPN双极结型晶体管（BJT）。就像在双极输入级中一样，我们可以选择以第一级增益为代价添加发射极退化或电阻发射极（RE）。

图1.双极轨到轨输入级

PNP输入级

设置以下设备参数：

I1 = 1E-3A

VA = 130V

IS = 1E-16

β1= 5000

接下来，将输入级增益设置为：

Avin = Aol/Avout * Avmiddle

gm1 = I1/V T

如果您决定添加变性，请务必使用以下公式：

Gm = gm/（1 + gm1 * RE）

没有增加的退化，

Avin = gm *（RC1 * ro）/（RC1 + ro）

ro = VA/2 * I1

r π = 2 *β1* V T /I1

RC1 = RC2 = 2 * VRC/I1，

其中V RC = 0.2V

RE1 = RE2 = [（β* RC1 ） - （r π * Avin）]/（gm * RC1 +β* Avin）

接下来，计算获得正确相位边距所需的额外延迟in。

ɸ1= 90 -ɸm-fz，其中fz = arctan（GBP/z1），

其中z1 = 1/Cf *（1/gm5 + gm6）-Rz

p1 = GBP/tan （90-ɸm-2），p1 in Hz

C1 = 1/2 * RC1,2 * p1，在这里使用弧度为p1

我们将返回到Rz（零）并显示如何在中间阶段推导出它。

V1 = Vs-Vcm，高;设置公共电压输入范围

输入级噪声贡献

现在我们转向输入级的晶体管和二极管来确定它们的噪声贡献。这是该模型的重要部分，特别是如果您正在尝试建模低噪声设备。

总输入噪声（RTI）表示为：

entotal = sqrt（enRC ^ 2 + enRE ^ 2 + enID ^ 2 + enPNP ^ 2）

其中：

enRC = sqrt（2 * 4 * k * T * RC1,2）/（2 * Avin），

enRE = sqrt（2 * 4 * k * T * RE1,2）/（2 * Avin），

k是玻尔兹曼常数和T，温度以开尔文

enID = sqrt（ 2 * q *（I1/2）），

其中IB是数据表中的输入偏置电流

enPNP = sqrt（2 * Id * RC1,2）/（2 * Avin）

NPN输入级

对于NPN差分对，器件参数设置为相同的PNP值。

I2 = 1E-3A

VA = 130V

IS = 1E-16

V2 = Vs-Vcm，低;

V2设置输入共模范围的较低范围：

Gm2 = I2/V T

ro = VA/2 * I2

r π = 2 *β2* V T /I2

RC3 = RC4 = 2 * VRC/I2，

其中V RC = 0.2V

RE3 = RE4 = [ （β2* RC3,4） - （r π * Avin）]/（gm2 * RC3,4 +β2* Avin）

C2 = C1

中（ga in）stage

这代表了我们三阶段设计的第二个。将电压控制电流源与电阻器，钳位二极管，电容器Cf并联设置极点，电阻器Rz设置为零，以便获得正确的相位裕度。

简单地写入增益Avmid：

Avmid = 2 * G1 * R1

要确定Cf，请将R1设置为任意值。请记住，值越大，噪音就越高。

设置R1 = 10k

Cf = 1/2π* fdom * R1 *（Avout + 1） ，

其中fdom =（GBP/Aol）* sqrt（1 + GBP ^ 2/p1 ^ 2）

G1 = SR * Cf/2 * I1 * R C1,2

Rz = 1/（gm5 + gm6） - （1/2π* Cf * fz）

图2。中间或获得阶段