CMOS兩級運算放大器調(diào)零電路性能分析
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/80577.htm運算放大器的高速性能主要靠兩個重要的參數(shù)來衡量,即大信號響應時間和小信號響應時間。大信號響應時間由擺率決定,小信號響應則由建立時間或單位增益帶寬來決定。提高運放速度的方法有多種多樣[1][2][3],折疊式運算放大器有功耗較大,折疊點處寄生電容高等缺點[1];采用套筒式運放結(jié)構(gòu),如果采用二階結(jié)構(gòu),則會造成較大的功耗,采用一階結(jié)構(gòu)則會限制差分輸出擺幅[2];反饋結(jié)構(gòu)放大器也存在問題,一是匹配問題不易實現(xiàn),二是電路的輸出跨導受輸出信號的影響較大[3]。
本文介紹的典型基本二級運算放大器具有結(jié)構(gòu)簡單、在密勒電容的調(diào)節(jié)下工作穩(wěn)定、有較大的開環(huán)增益等特點,但是其單位增益帶寬較小,所以通過對基本二級CMOS運放結(jié)構(gòu)增加調(diào)零電阻,在不改變其他參數(shù)的情況下通過抵消二級極點擴展單位增益帶寬。調(diào)零電阻偏差分析對實現(xiàn)運算放大器頻率特性具有十分重要的意義,通過討論,本文提出了對調(diào)零電阻偏差影響的分析方法。
二級運算放大器調(diào)零電路結(jié)構(gòu)設計技術(shù)
基本二級CMOS運放結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1中的M1和M2管決定了運放的單位增益帶寬(GB),M3和M4決定了運放的最大共模輸入電壓,M5管決定了運放的最小輸入共模電壓,M6和M7管則決定了運放的最大和最小輸出電壓。密勒電容Cc為了使運放有較好的相位裕度,防止電路自激。Cc和偏置電流決定了運放的擺率(即)。根據(jù)電路的小信號等效電路(圖2)可以列出電路的傳輸函數(shù)(公式(1)),零極點(公式(2))。電路的GB值和相位裕度ΦM公式如公式(3)。
(1)
表1 二級運算放大器電路MOS管寬長比
表2 電路結(jié)構(gòu)零極點仿真結(jié)果
(2)式中
(3)
用HSPICE軟件在BSIM3V3模型AA1833C05工藝下對圖1電路進行仿真測試,仿真結(jié)果如圖3所示,其單位增益帶寬為7.17MHz,功耗865W。圖3中虛線為相頻特性曲線,圖中可得在0dB的頻率點處的相位是130o,有60o的相位裕度。
根據(jù)公式(2)可以看出,密勒電容Cc的引入,增加了零點,限制了GB,如果零點不存在,則可以進一步擴展GB的值??梢酝ㄟ^一種調(diào)零電阻的方法來抵消零點的影響[1],電路的小信號等效圖如圖4所示,新的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中的調(diào)零電阻R的引入使得電路的傳輸函數(shù)如公式(4),新的零極點如公式(5)。
?。?)由于,電路的GB值和相位裕度ФM公式變?yōu)椋?br />
為了抵消二級極點有:
要保證好的穩(wěn)定性,即有60o的相位裕量,根據(jù)公式(6)則需有:
聯(lián)立兩個公式(7)和(8)得Cc和R。在設計時三級極點()遠大于四級極點,最后使得單位增益帶寬主要由p4來決定。
假設相位裕度為60o,通過對圖1的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和公式(6)、(7)得Cc=1.65pF ,R=6788.5Ω。對圖5的電路進行仿真,仿真結(jié)果如圖6,從圖中可得電路的單位增益帶寬擴展為13.4MHz,而且相位裕量為60.5o。圖5電路結(jié)構(gòu)零極點如表2所示。從表中可以看出電路的二級極點等于一級零點,可以相互抵消。
調(diào)零電路容差分析
由于工藝的限制,電阻值很難精確到6788.5Ω。密勒電容Cc也存在同樣的問題,所以本文將較為詳細地研究電容和電阻的容差分析,根據(jù)公式(6)得,
在Cadence環(huán)境下,仍然采用BSIM3V3模型AA1833C05工藝下對圖5中調(diào)零電阻R和密勒電容Cc的偏差引起的相頻特性曲線變化進行仿真測試,仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。根據(jù)公式(11)得出,相位裕度隨著CC的增大非線性增大(如圖7左圖),當CC變化較小時,相位裕度近似的是CC的一次正比函數(shù)(如圖7右圖),根據(jù)圖7 得出當CC增加5%,相位裕度增加了3.4%。圖8是相位裕度隨調(diào)零電阻變化的特性曲線,圖中可以看出,調(diào)零電阻在小于7.5Ω時,相位裕度非線性增加,當大于7.5kΩ時,相位裕度非線性減小。根據(jù)公式(10)也可以看出,當R=1/2gm6=7.5kΩ時,電路有最大的相位裕度。
根據(jù)公式(6)和公式(7)可以得出:
(12)
(13)
(14)
仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。根據(jù)公式(6)GB是CC的反比例函數(shù), GB隨CC的變化率為,圖9的左圖驗證了公式(13),右圖說明CC在小的變化范圍內(nèi)GB近似的是CC的一次反比函數(shù)。當CC增加了5%,GB減小了15%。根據(jù)公式(12)得出GB是R的一次正比函數(shù)。GB隨R的變化率為。根據(jù)圖10當R增加7.7%,GB增加3.2%。
結(jié)語
通過增加調(diào)零電阻可以擴展基本二級CMOS電路的單位增益帶寬,而且通過調(diào)整密勒電容的值還能保證電路有相同的相位裕量,從而保證電路的穩(wěn)定性。根據(jù)計算公式以及實驗仿真結(jié)果可以看出,隨著R的增大,GB值增大,但是相位裕度會非線性減小,在保證相位裕度大于60o的條件下,R的變化范圍在15%之內(nèi)。密勒電容Cc增加5%,GB減小了15%,相位裕度增加了3.4%。較小的相位裕度增量要犧牲較大的單位增益帶寬,在應用中要根據(jù)實際要求尋求一個平衡點。
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