一種亞閾值有源共源共柵補(bǔ)償運(yùn)算放大器

張春茗 王夢海 嚴(yán)展科

摘? 要： 針對低壓低功耗高增益高帶寬應(yīng)用背景的運(yùn)算放大器，提出一種新型亞閾值有源共源共柵補(bǔ)償（SACC）運(yùn)算放大器。通過使用亞閾值跨導(dǎo)提升輔助放大器，以非常低的功耗成本改善整體電路的帶寬，同時(shí)有效地減小補(bǔ)償電容的數(shù)值，且輸出級采用動態(tài)前饋結(jié)構(gòu)，顯著提升電路擺率。當(dāng)驅(qū)動10 pF容性負(fù)載時(shí)，放大器的補(bǔ)償電容僅需60 fF即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，從而大大減小了放大器的版圖面積。提出的放大器在28 nm CMOS工藝下設(shè)計(jì)并驗(yàn)證，并且當(dāng)驅(qū)動10 pF的容性負(fù)載時(shí)，仿真結(jié)果表明，在0.9 V電源電壓下，可實(shí)現(xiàn)69.5 dB的直流增益和13.3 MHz的增益帶寬積，且功耗僅為4.5 μW。此外，提出的放大器與現(xiàn)有的方案相比較具有更好的品質(zhì)因數(shù)（FOM）。

關(guān)鍵詞： 亞閾值共源共柵補(bǔ)償; 亞閾值區(qū)域; 運(yùn)算放大器; 低壓低功耗; 穩(wěn)定性分析; 仿真驗(yàn)證

中圖分類號： TN722.7+7?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0013?05

A subthreshold active cascade compensation operational amplifier

ZHANG Chunming， WANG Menghai， YAN Zhanke

（College of Electronic Engineering， Xian University of Post and Telecommunications， Xian 710121， China）

Abstract： A novel subthreshold active cascade compensation （SACC） technique is proposed for the application background of low voltage， low power consumption， high gain and high bandwidth. The booster amplifier is promoted by means of the subthreshold transconductance to improve the bandwidth of the whole circuit at very low cost of power consumption， and effectively reduce the value of the compensation capacitor. The slew rate of the circuit is improved significantly with the dynamic feed?forward structure adopted in the output stage. The required compensation capacitance to stabilize the amplifier is only 60 fF when driving a 10 pF capacitive load， so that the layout area of the amplifier is greatly reduced. On the basis of the 28 nm CMOS process， the proposed amplifier is designed and verified. The simulation results show that， when driving the 10 pF capacitive loading at the supply voltage of 0.9 V， the proposed amplifier can achieve DC gain of 69.5 dB and gain?bandwidth product （GBW） of 13.3 MHz， and the power consumption is only 4.5 μW. Moreover， the proposed amplifier achieves a better quality factor （FOM） in comparison with the existing solutions.

Keywords： SACC; subthreshold region; operational amplifier; low voltage and low power consumption; stability analysis; simulation verification

0? 引? 言

隨著便攜可穿戴設(shè)備的普及，市場對低壓低功耗電池供電設(shè)備的需求不斷增長，因此要求模擬和混合模式信號處理電路具有更好的性能。運(yùn)算放大器作為模擬集成電路的關(guān)鍵模塊，廣泛應(yīng)用于低壓差穩(wěn)壓器、開關(guān)電容電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及帶隙基準(zhǔn)等電路系統(tǒng)中[1?2]。在低電壓低功耗設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器的頻率補(bǔ)償問題將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。兩級CMOS運(yùn)算放大器普遍采用密勒補(bǔ)償技術(shù)，以在閉環(huán)條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。然而由于補(bǔ)償電容引入的前饋路徑使得電路存在一個(gè)右半平面零點(diǎn)，在相對較高的頻率產(chǎn)生負(fù)的相位貢獻(xiàn)，因此極大地降低了可實(shí)現(xiàn)的最大增益帶寬積。因此，在兩級運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中，右半平面零點(diǎn)補(bǔ)償必須考慮。針對運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性問題，已經(jīng)提出了各種補(bǔ)償技術(shù)[3?9]。

文獻(xiàn)[4]采用與補(bǔ)償電容串聯(lián)的調(diào)零電阻。文獻(xiàn)[6?7]分別在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)電流緩沖器和電壓緩沖器來破壞前饋路徑，消除密勒補(bǔ)償帶來的右邊平面零點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]引入前饋網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償非主極點(diǎn)帶來的相位損失。文獻(xiàn)[9]引入阻尼因子控制（DFC）電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償。各種補(bǔ)償技術(shù)不同程度地改善了穩(wěn)定性問題，但也會引入一些其他問題，例如：調(diào)零電阻使得版圖面積增大;電流緩沖器帶來額外的功耗;電壓緩沖器使得輸出擺幅受限等。且上述補(bǔ)償技術(shù)需要大的補(bǔ)償電容，其數(shù)值一般為負(fù)載電容的0.1～0.5。為了解決以上問題，本文提出一種亞閾值有源共源共柵補(bǔ)償運(yùn)算放大器，在降低功耗的同時(shí)，顯著減小補(bǔ)償電容的數(shù)值，增大單位增益帶寬。

1? 共源共柵補(bǔ)償

圖1為典型的共源共柵補(bǔ)償跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，M2～M7和Mc組成折疊式共源共柵輸入級，M8和M9組成Class?A型輸出級，CC為補(bǔ)償電容。

該結(jié)構(gòu)以電流緩沖補(bǔ)償技術(shù)為原型，補(bǔ)償電路和輸入級電路共用同一個(gè)晶體管Mc，在減小電路復(fù)雜度的同時(shí)節(jié)約了功耗，因而廣泛地使用在模擬集成電路系統(tǒng)中。然而，Mc作為輸入級的共柵管，受功耗限制其跨導(dǎo)gmc不可能無限大。當(dāng)該電路驅(qū)動大的容性負(fù)載時(shí)，傳輸函數(shù)存在共軛復(fù)極點(diǎn)且極點(diǎn)的位置和品質(zhì)因數(shù)Q的值由gmc和CC決定。因此，如果電路參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，增益特性曲線將會在單位增益附近出現(xiàn)頻率尖峰，造成相位損失，嚴(yán)重影響運(yùn)放的閉環(huán)穩(wěn)定性和建立特性。同時(shí)在低功耗設(shè)計(jì)中，使用Class?A型放大器作為輸出級會使得負(fù)擺率嚴(yán)重受限。

2? 亞閾值有源共源共柵補(bǔ)償

2.1? 電路結(jié)構(gòu)

本文提出的SACC跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。每級輸出端的輸出電阻和集總寄生節(jié)點(diǎn)電容分別用R和C表示;CC是密勒補(bǔ)償電容，和有源共源共柵結(jié)構(gòu)形成反饋網(wǎng)絡(luò);k為工作在亞閾值區(qū)域的輔助運(yùn)放，以非常低的功耗成本提高共柵晶體管的等效跨導(dǎo)gmc;CL為負(fù)載電容;跨導(dǎo)級gm1和gm2構(gòu)成兩級跨導(dǎo)放大器。從輸入到輸出的前饋級gmf僅在放大器的高頻部分產(chǎn)生左半平面零點(diǎn)，它可以在不影響頻率響應(yīng)的情況下改善瞬態(tài)響應(yīng)。與傳統(tǒng)的共源共柵放大器相比，在驅(qū)動相同的負(fù)載電容時(shí)，所提出的SACC結(jié)構(gòu)可以顯著地減小補(bǔ)償電容CC的數(shù)值，因而可以大幅改善放大器的帶寬，同時(shí)可以減小大的補(bǔ)償電容所帶來的物理版圖面積消耗。動態(tài)前饋級與輸出級構(gòu)成推挽輸出結(jié)構(gòu)，使得SACC放大器在帶來瞬態(tài)性能顯著改善的同時(shí)在穩(wěn)定狀態(tài)下保證了低的功耗。反饋網(wǎng)絡(luò)通過改進(jìn)的共源共柵補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn)，包括補(bǔ)償電容器CC、跨導(dǎo)級gmc和亞閾值輔助運(yùn)放k，相比于傳統(tǒng)的共源共柵補(bǔ)償方案，由于輔助運(yùn)放提高了共柵晶體管的等效跨導(dǎo)gmc，因而可以把反饋網(wǎng)絡(luò)所引入的左半平面零點(diǎn)推到更高的頻率。

2.2? 傳輸函數(shù)

本文提出的SACC放大器的小信號模型如圖3所示。研究電路的傳輸函數(shù)，以分析SACC放大器的穩(wěn)定性。

使用以下假設(shè)導(dǎo)出傳遞函數(shù)：

1） 反饋跨導(dǎo)級的輸入電阻等于其跨導(dǎo)的倒數(shù);

2） 每一級的增益都遠(yuǎn)大于1;

3） 電容C1，C2和CC都遠(yuǎn)小于CL。

根據(jù)以上假設(shè)，電路的傳輸函數(shù)為：

低頻增益Adc和主極點(diǎn)P-3 dB分別為：

因此單位增益帶寬積為：

根據(jù)傳輸函數(shù)式（1）可以確定非主極點(diǎn)為共軛復(fù)極點(diǎn)以及其對應(yīng)的Q值：

式（5）和式（6）表明共軛復(fù)極點(diǎn)的位置和品質(zhì)因數(shù)Q控制著放大器的穩(wěn)定性，其值依賴于gmc，gm2，CL和k。由于增加了輔助放大器，共軛復(fù)極點(diǎn)的位置可以更容易地到更高頻率，并且Q值也因此變得很小。這里k為輔助運(yùn)放的增益，其值一般不能太大，因?yàn)檩o助放大器會放大共柵管的柵源寄生電容Cgs，過大的k會把共柵管源端帶來的極點(diǎn)由高頻移到低頻處，惡化放大器的穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中k為4.5。

從傳輸函數(shù)還可以看出SACC放大器存在兩個(gè)左半平面的零點(diǎn)，如下：

由于gmf和gm2處在相同的量級，C1為寄生電容且小于CC，所以z1與單位增益帶寬的比例約為CC/C1，最終左半平面零點(diǎn)z1可以補(bǔ)償非主共軛復(fù)極點(diǎn)帶來的相位損失。同時(shí)，共柵晶體管的等效跨導(dǎo)gmc被等效放大為原來的k+1倍，因此z2出現(xiàn)在非常高的頻率，其影響可以忽略。

2.3? 穩(wěn)定性分析

根據(jù)電路的傳輸函數(shù)可知，存在非主導(dǎo)共軛復(fù)極點(diǎn)，其帶來的相移取決于它的位置和Q值。為了避免產(chǎn)生頻率“尖峰”，建議Q的值[10]取為[12]。在所提出的電路中，為保證電路的穩(wěn)定性，使得相位裕度大于60°，因此必須滿足|P2，3|≥2GBW，同時(shí)令z1≥4GBW。根據(jù)上面的條件可以容易得到gmc，gmf和CC的取值約束。相位裕度PM為：

根據(jù)上面的討論，合理設(shè)置零極點(diǎn)的位置，可以看出，SACC放大器相位裕度大于60°，滿足工程上的穩(wěn)定性要求。同時(shí)如果建立時(shí)間不足，可以對參數(shù)k、補(bǔ)償電容CC進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，增大相位裕度。

2.4? 擺率分析

由于電路的內(nèi)部寄生電容遠(yuǎn)小于CC和CL，因此限制擺率的主要因素為對補(bǔ)償電容和負(fù)載電容充放電的電流大小。由于gmf和gm2構(gòu)成推挽輸出結(jié)構(gòu)，其正負(fù)擺率都很大，所以SACC放大器的擺率主要受限于驅(qū)動補(bǔ)償電容CC的第一級電路。擺率公式為：

式中，I1為可用于對CC充放電的電流量。從式（10）可以得出提高擺率可以通過提高I1或者減小CC。在提出的結(jié)構(gòu)中，由于增加了輔助運(yùn)放，使得補(bǔ)償電容相比于傳統(tǒng)共源共柵補(bǔ)償大大減小。因此，SACC放大器的內(nèi)部壓擺率在給定的條件下得到提升。

3? 放大器的電路實(shí)現(xiàn)

圖4顯示了所提出的SACC放大器的電路實(shí)現(xiàn)。折疊式有源共源共柵跨導(dǎo)放大器構(gòu)成了輸入級，由M2～M9組成，差分對M2，M3決定第一級的跨導(dǎo)gm1。同時(shí)跨導(dǎo)提升輔助運(yùn)放由晶體管Ma1～Ma3和Mb1～Mb3組成。其中，晶體管Ma1，Ma3，Mb1和Mb3工作在亞閾值區(qū)域。該輔助運(yùn)放的增益決定了補(bǔ)償電容的數(shù)值。

第二級的跨導(dǎo)gm2由M13決定，M10～M12構(gòu)成動態(tài)前饋級，其等效跨導(dǎo)為gmf ，與M13構(gòu)成推挽輸出。CC為金屬?氧化物?金屬（MOM）補(bǔ)償電容，CL為輸出外部負(fù)載電容。Vb是由偏置電路提供的偏置電壓，圖中沒有給出偏置電路。

4? 仿真結(jié)果

所提出的SACC放大器在28 nm CMOS工藝下設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證。當(dāng)電源電壓為0.9 V，所提出的運(yùn)算放大器消耗靜態(tài)電流僅為5.14 μA。負(fù)載電容為10 pF時(shí)，驗(yàn)證電路的頻率特性。仿真結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出所提出的運(yùn)算放大器直流增益為69.5 dB，單位增益帶寬積為13.3 MHz，相位裕度為61.1°。

將圖4所示電路連接成單位增益模式，輸入峰峰值為200 mV，周期為8 μs，占空比為50%的方波信號，輸出瞬態(tài)波形如圖6所示?？梢钥闯鲈跊]有添加動態(tài)前饋級電路時(shí)，輸出波形在下降時(shí)不能跟隨輸入信號，且SR-=0.12 V/μs。在添加動態(tài)前饋級電路后，從圖中可以看出負(fù)擺率顯著改善，是之前的25倍，此時(shí)SR+=5.1 V/μs，SR-=3.0 V/μs。

本文提出的SACC放大器與現(xiàn)有放大器的關(guān)鍵性能參數(shù)對比如表1所示。工程上用FOM值來衡量不同放大器的性能，兩個(gè)品質(zhì)因數(shù)用來評估放大器的小信號和大信號性能指標(biāo)，分別由式（11）和式（12）給出。

由于不同設(shè)計(jì)的電源電壓不同，為了比較其性能，引入與電源電流相關(guān)的品質(zhì)因數(shù)，分別由式（13）和式（14）給出。

從表1可以看出，與之前提出的補(bǔ)償方案相比，本文提出的SACC放大器顯然具有出色的FOM和IFOM，這表明所提出的SACC結(jié)構(gòu)具有更好的功率帶寬效率。此外，所提出的SACC結(jié)構(gòu)還實(shí)現(xiàn)了最高的負(fù)載電容CL與補(bǔ)償電容CC比率。這表明SACC放大器是一種面積能效優(yōu)化的補(bǔ)償方案，在驅(qū)動小的容性負(fù)載具有顯著的優(yōu)勢。

5? 結(jié)? 論

本文面向低壓低功耗應(yīng)用領(lǐng)域提出一種新型的SACC放大器。SACC補(bǔ)償方案使用小的補(bǔ)償電容在低電壓低功耗約束條件下把與帶寬相關(guān)的非主共軛復(fù)極點(diǎn)推到高頻，同時(shí)減小品質(zhì)因數(shù)Q值，改善放大器的穩(wěn)定性。由輸入到輸出的動態(tài)前饋級與輸出級構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)，以低的靜態(tài)功耗顯著改善擺率。仿真結(jié)果表明，提出的放大器與現(xiàn)有的方案相比較具有更好的小信號和大信號性能指標(biāo)。同時(shí)具有所有補(bǔ)償方案中最高的CL/CC值，表明此方案的有效性，可以應(yīng)用于模擬集成電路系統(tǒng)中。

注：本文通訊作者為王夢海。

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