多級(jí)運(yùn)放穩(wěn)定性研究

張楊俊杰 中船重工昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 650034

多級(jí)運(yùn)放穩(wěn)定性研究

張楊俊杰 中船重工昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 650034

本研究基于0.5 um CMOS工藝，將一個(gè)二級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)在SV電壓下，其放大倍數(shù)達(dá)到了81.29 dB，在對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)使用了密勒補(bǔ)償法，達(dá)到了64度的相位裕度，將cascode連接結(jié)構(gòu)應(yīng)用到偏置電路中，從而對(duì)偏置穩(wěn)定性加以保證，此外還將差分輸入應(yīng)用到輸入級(jí)，促使電路抗干擾能力得到增強(qiáng)。

反饋補(bǔ)償；運(yùn)算放大器；高興算計(jì)算

引言

在數(shù)模混合信息系統(tǒng)或模擬系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器是一個(gè)重要部件，運(yùn)算放大器的應(yīng)用涉及到眾多領(lǐng)域[1]，比如采樣保持電路、有源濾波器、波形發(fā)生器、模擬轉(zhuǎn)換器等等。通過(guò)復(fù)雜性各異和機(jī)構(gòu)不同的運(yùn)放能夠使多種功能得以實(shí)現(xiàn)[2]；對(duì)于運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，從偏值的產(chǎn)生到濾波或放大，其兩大重要因素均為穩(wěn)定性和增益[3]，運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)決定了這兩方面的因素。同時(shí)優(yōu)化這兩個(gè)方面可能會(huì)發(fā)生沖突，采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的辦法能夠使放大倍數(shù)更高，然而多級(jí)運(yùn)放需要引入多個(gè)極點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)高增益，而這卻會(huì)顯著惡化運(yùn)放的穩(wěn)定性。在輸入和輸出間采用調(diào)零電阻和添加償電容的辦法能夠調(diào)節(jié)單位增益帶寬以及相位特性[4]。本電路將由電阻構(gòu)成的RC密勒補(bǔ)償與補(bǔ)償電容增加至第二級(jí)的輸入和輸出間。補(bǔ)償電容的作用在于對(duì)電路的極點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)增益帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。補(bǔ)償電阻的作用在于對(duì)電路的零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)相位特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.電路實(shí)現(xiàn)

CMOS二級(jí)運(yùn)算放大器主要含有：輸入級(jí)放大電路、偏值電路、補(bǔ)償電路和二級(jí)放大電路。

偏值電路的組成包括電阻R1與晶體管M8-M13。M8與M9是一對(duì)匹配的pmos鏡像電流源，具有相同的參數(shù)。將電阻R1串聯(lián)到M12上，將會(huì)使M12與M13這兩個(gè)晶體管失去匹配。偏值電流Ⅰ1的大小取決于電阻R1。M11和M13以二極管形式連接起來(lái)，負(fù)責(zé)將偏值電壓提供給cascode連接的M10，此種cascode結(jié)構(gòu)能夠使由溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)所導(dǎo)致的電流誤差得以減少。

在M8與M9鏡像電流源的作用下，相等的電流I1通過(guò)M12和M13，可表達(dá)為：

然后根據(jù)電路結(jié)構(gòu)得出：

而偏值電流即可由此得到：

由上式可知，M12與M13這兩個(gè)晶體管的尺寸和R1電阻的阻值與I1關(guān)系密切，而后者并不會(huì)被電源電壓所影響。所以在對(duì)偏值電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可以采取調(diào)節(jié)M12與M13晶體管的尺寸和調(diào)節(jié)R1電阻阻值的辦法。

其第二級(jí)位的電壓增益如下：

因此可將總的放大倍數(shù)表示成：

根據(jù)等效電路能夠獲得兩個(gè)如下的KCL等式：

公式（1）：

而電路的傳輸函數(shù)如下公式（1）表示：

將一個(gè)電阻串串接到第二級(jí)的輸入與Cc之間，能夠?qū)ψ柚档拇笮∵M(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)零點(diǎn)的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)函數(shù)在串聯(lián)之后并不會(huì)出現(xiàn)變化，可以將零點(diǎn)表示成：

2.仿真結(jié)果

cadence中的spectre仿真的相頻特性與幅頻。仿真結(jié)果基本吻合相關(guān)理論，達(dá)到了64度的相位裕度和81.29dB的增益。

其單位增益達(dá)到26.74MHz的帶寬。在模擬集成電路中，運(yùn)算放大器的作用非常重要，它對(duì)電路的整體性能起著決定性的影響?，F(xiàn)代集成電路產(chǎn)品多追求低壓低功耗表現(xiàn)，運(yùn)算放大器的電源電壓要想得到降低，就必須對(duì)集成電路的特征尺寸進(jìn)行減小。關(guān)于運(yùn)算放大器的研究，目前仍以兩級(jí)運(yùn)算放大器為主，很少有人研究多級(jí)運(yùn)算放大器。采取傳統(tǒng)的兩級(jí)運(yùn)算放大器能夠使設(shè)計(jì)要求得到滿足，能夠?qū)崿F(xiàn)100dB以上的增益，具有相對(duì)穩(wěn)定的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在對(duì)傳統(tǒng)密勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的應(yīng)用下，能夠達(dá)到約60度的相位裕度。工藝技術(shù)在不斷發(fā)展，極大的減小了器件特征尺寸，集成電路設(shè)計(jì)也隨之邁入深亞微米量級(jí)，逐漸凸顯其短溝道效應(yīng)，溝道擊穿造成了電壓的降低，而晶體管則會(huì)減小其本征增益，與電源電壓的降速相比，晶體管閥值電壓的降低速度要低得多，這將會(huì)急劇減小放大器的直流增益，從而給電路性能造成非常嚴(yán)重的影響。在此種情形下，設(shè)計(jì)要求已經(jīng)不能通過(guò)兩級(jí)運(yùn)算放大器得到滿足，因而必須借助多級(jí)放大器展開(kāi)級(jí)聯(lián)，從而確保增益的充分提供，在閉環(huán)工作下放大器的線性度也應(yīng)得到保證。目前在深亞微米量級(jí)中，研究的重點(diǎn)已經(jīng)逐漸放在了三級(jí)運(yùn)算放大器之上。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)二級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了密勒補(bǔ)償，也就是將補(bǔ)償電阻與補(bǔ)償電容串聯(lián)到輸入級(jí)與輸出級(jí)之間。不僅促使增益獲得提高，而且還使運(yùn)算放大器的單位增益帶寬得到了增加，此外，還提供了60度以上的相位裕度，從而使電路的穩(wěn)定性得到保障。

[1]劉輝.低壓低功耗CMOS運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué)，2002.

[2]易清明，張靜，石敏.低功耗CMOS集成運(yùn)算放大器的研究與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2007, 37(3):11-16.

張楊俊杰，男（1992-），云南昆明人，民族：漢，學(xué)歷：大學(xué)本科