多级运放稳定性研究

2016-04-18张杨俊杰中船重工昆明船舶设备研究试验中心650034

电子制作 2016年24期

张杨俊杰中船重工昆明船舶设备研究试验中心 650034

多级运放稳定性研究

张杨俊杰中船重工昆明船舶设备研究试验中心 650034

本研究基于0.5 um CMOS工艺，将一个二级运算放大器设计在SV电压下，其放大倍数达到了81.29 dB，在对电路进行补偿时使用了密勒补偿法，达到了64度的相位裕度，将cascode连接结构应用到偏置电路中，从而对偏置稳定性加以保证，此外还将差分输入应用到输入级，促使电路抗干扰能力得到增强。

反馈补偿；运算放大器；高兴算计算

引言

在数模混合信息系统或模拟系统中，运算放大器是一个重要部件，运算放大器的应用涉及到众多领域[1]，比如采样保持电路、有源滤波器、波形发生器、模拟转换器等等。通过复杂性各异和机构不同的运放能够使多种功能得以实现[2]；对于运算放大器来说，从偏值的产生到滤波或放大，其两大重要因素均为稳定性和增益[3]，运放电路结构决定了这两方面的因素。同时优化这两个方面可能会发生冲突，采用多级级联的办法能够使放大倍数更高，然而多级运放需要引入多个极点才能实现高增益，而这却会显著恶化运放的稳定性。在输入和输出间采用调零电阻和添加偿电容的办法能够调节单位增益带宽以及相位特性[4]。本电路将由电阻构成的RC密勒补偿与补偿电容增加至第二级的输入和输出间。补偿电容的作用在于对电路的极点进行调节，从而对增益带宽进行调节。补偿电阻的作用在于对电路的零点进行调节，进而对相位特性进行调节。

1.电路实现

CMOS二级运算放大器主要含有：输入级放大电路、偏值电路、补偿电路和二级放大电路。

偏值电路的组成包括电阻R1与晶体管M8-M13。M8与M9是一对匹配的pmos镜像电流源，具有相同的参数。将电阻R1串联到M12上，将会使M12与M13这两个晶体管失去匹配。偏值电流Ⅰ1的大小取决于电阻R1。M11和M13以二极管形式连接起来，负责将偏值电压提供给cascode连接的M10，此种cascode结构能够使由沟道长度调制效应所导致的电流误差得以减少。

在M8与M9镜像电流源的作用下，相等的电流I1通过M12和M13，可表达为：

然后根据电路结构得出：

而偏值电流即可由此得到：

由上式可知，M12与M13这两个晶体管的尺寸和R1电阻的阻值与I1关系密切，而后者并不会被电源电压所影响。所以在对偏值电流的大小进行调节时，可以采取调节M12与M13晶体管的尺寸和调节R1电阻阻值的办法。

其第二级位的电压增益如下：

因此可将总的放大倍数表示成：

根据等效电路能够获得两个如下的KCL等式：

公式（1）：

而电路的传输函数如下公式（1）表示：

将一个电阻串串接到第二级的输入与Cc之间，能够对阻值的大小进行调节，从而实现对零点的调节。系统函数在串联之后并不会出现变化，可以将零点表示成：

2.仿真结果

cadence中的spectre仿真的相频特性与幅频。仿真结果基本吻合相关理论，达到了64度的相位裕度和81.29dB的增益。

其单位增益达到26.74MHz的带宽。在模拟集成电路中，运算放大器的作用非常重要，它对电路的整体性能起着决定性的影响。现代集成电路产品多追求低压低功耗表现，运算放大器的电源电压要想得到降低，就必须对集成电路的特征尺寸进行减小。关于运算放大器的研究，目前仍以两级运算放大器为主，很少有人研究多级运算放大器。采取传统的两级运算放大器能够使设计要求得到满足，能够实现100dB以上的增益，具有相对稳定的补偿结构，在对传统密勒补偿结构的应用下，能够达到约60度的相位裕度。工艺技术在不断发展，极大的减小了器件特征尺寸，集成电路设计也随之迈入深亚微米量级，逐渐凸显其短沟道效应，沟道击穿造成了电压的降低，而晶体管则会减小其本征增益，与电源电压的降速相比，晶体管阀值电压的降低速度要低得多，这将会急剧减小放大器的直流增益，从而给电路性能造成非常严重的影响。在此种情形下，设计要求已经不能通过两级运算放大器得到满足，因而必须借助多级放大器展开级联，从而确保增益的充分提供，在闭环工作下放大器的线性度也应得到保证。目前在深亚微米量级中，研究的重点已经逐渐放在了三级运算放大器之上。