基于0.13μm CMOS工藝的快速穩(wěn)定的高增益Telescop
2 電壓增益模型
基本的增益提升技術應用于Telescopic放大器的電路如圖2所示,圖中的MN1,MN2,MP1和MP2組成了基本的Telescopic放大器,但是若不采取其他措施,在0.13 μm工藝的條件下,電壓增益通常只能到60 dB,而從前面的分析來看,這樣的增益是不夠的。
圖中的OPp和OPn是兩個增益提高電路,有了這兩個輔助的放大器之后,輸出電阻可以表示成為:
式(4)中忽略了襯底效應和高階效應,通過上面的方程,可以看出,電壓增益在原來的基礎上提高了很多。比如,0Pp和OPn的增益各為40 dB,那么加上原來主運放的增益,我們能夠輕易得到100 dB的增益,完全滿足12 b數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度要求。
3 頻率響應模型
增益提高技術,雖然大幅度提高了放大器的電壓增益,但是電路變復雜了,頻率響應必然受到影響,為了分析這種技術給主運放帶來的影響,可以畫出頻率響應小信號等效電路圖,如圖3所示。
圖3表明,電路的主極點是在輸出點,負載電容大,輸出電阻非常高,極點的位置在p1=1/(2πRoutCload)。主運放的第二個極點在點①處,電容是①點的寄生電容,Boot-ser的輸入電容,M1管的Miller電容CGD,和M2管子的源極輸入電容。位置為p2=gM2/(2πC1)。在頻率響應中,一階主極點引起的響應是指數(shù)逼近的響應,而其余的極點和零點則會引入非指數(shù)的響應,為了不過多地引入超調(diào)響應,或者是減慢響應速度,要求Booster除了要提高電壓增益外,還不能影響運放的頻率響應。文獻[4,5]中給出了設計的要點,表現(xiàn)成不等式為:
其中,ωu,main是主運放的單位增益帶寬,ωb是增益提高運放的單位增益帶寬,ωP2,main是主運放的次極點。式(5)表明,設計Booster時候,Booster不能太快,如果超過主運放的第二個極點,則會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,同樣也不能太慢,如果比主運放的3 dB帶寬(第一個極點位置)還要慢,則會使整體的速度變慢。由于我們要設計的運放單位增益帶寬為1.4 GHz,反饋系數(shù)為0.2,可以得到3 dB帶寬約為300 MHz,故設計Bootser單位增益帶寬為500 MHz,直流增益為40 dB。
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