一種新型運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與仿真

林宇　劉潔　陳思琪　任燁磊　章惠

摘要：本文主要研究?jī)杉?jí)放大器，因補(bǔ)償方式不同，而導(dǎo)致的增益，相位裕度，帶寬等參數(shù)變化，造成的穩(wěn)定性的變化。通過(guò)既定的設(shè)計(jì)電路指標(biāo)，計(jì)算出電路所需結(jié)構(gòu)的理論參數(shù)，并用cadence仿真帶cascode補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器。通過(guò)設(shè)置變量，并用ADE中的掃描功能，觀察變量的不同參數(shù)值對(duì)該電路的穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)的影響變化趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)分析，可以得出帶密勒補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器可以顯著補(bǔ)償零極點(diǎn)，帶調(diào)零電阻的兩級(jí)運(yùn)算放大器可以抵消密勒電容，cascode補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的增益很小，但是會(huì)對(duì)補(bǔ)償PSRR。同時(shí)，密勒補(bǔ)償?shù)碾娙葜狄约傲泓c(diǎn)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電阻值的選擇，至關(guān)重要，影響補(bǔ)償“度”對(duì)帶寬有很大影響。

關(guān)鍵詞：電路;運(yùn)算放大器;穩(wěn)定性;補(bǔ)償

自運(yùn)算放大器誕生以來(lái)，基于運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì)以及相關(guān)的制造工藝，都已取得了重大進(jìn)展。運(yùn)算放大器的經(jīng)常會(huì)探究速度、功耗、增益、擺幅、噪聲等參數(shù)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)相互牽制。設(shè)計(jì)過(guò)程中，明確最需要以及可以妥協(xié)的參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行折中選擇也需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，這些量的探討就是我們對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行的穩(wěn)定性分析。因此，本文主要對(duì)帶cascode（NMOS管和PMOS管級(jí)聯(lián)得來(lái)的結(jié)構(gòu)）補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行研究與分析。

1、cascode補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

我們常用的經(jīng)過(guò)密勒補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器，會(huì)引入右半平面零點(diǎn)，從而使運(yùn)放的頻率響應(yīng)的穩(wěn)定性變差，除了加入調(diào)零電阻，我們也常用cascode compensation，即cascode補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

當(dāng)Cc位于X點(diǎn)，為密勒補(bǔ)償電路，當(dāng)位于Y點(diǎn)，為cascode補(bǔ)償電路，該電路是通過(guò)cascode將由X點(diǎn)經(jīng)由電容Cc到輸出的前饋通路截?cái)唷?/p>

2、設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)參數(shù)同表1，優(yōu)化后參數(shù)同表2，但該結(jié)構(gòu)改善了M12管，使其工作在了飽和區(qū)，處在穩(wěn)定工作狀態(tài)。

由于工藝庫(kù)以及實(shí)際的誤差等方面也會(huì)影響參數(shù)的大小，故我們需要在cadence中進(jìn)行微調(diào)，來(lái)確保可以達(dá)到既定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3、電路仿真與優(yōu)化

算放大器是由兩級(jí)或多級(jí)放大器構(gòu)成的高增益放大器，每級(jí)放大器至少包含一個(gè)極點(diǎn)，而每一個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生的最大相移為90°。因此，兩級(jí)或多級(jí)放大器環(huán)路增益的總相移至少有兩個(gè)極點(diǎn)影響，而其在高頻時(shí)很可能達(dá)到或超過(guò)180°，此時(shí)如果環(huán)路增益的振幅大于0dB，則相位裕度變?yōu)榱?，即在低頻時(shí)的負(fù)反饋在高頻時(shí)變?yōu)檎答?，閉環(huán)系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。因此，必須對(duì)環(huán)路增益加以修正，即進(jìn)行相位補(bǔ)償，使得環(huán)路增益具有足夠的相位裕度，以保證閉環(huán)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。運(yùn)算放大器常用兩種相位補(bǔ)償方法——極點(diǎn)分離法和零點(diǎn)補(bǔ)償法。

（1）不同結(jié)構(gòu)增益的對(duì)比

（2）帶cascode補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器改變電容對(duì)相位裕度的影響

帶cascode補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器改變電容對(duì)相位裕度的影響趨勢(shì)和折疊式兩級(jí)運(yùn)算放大器的趨勢(shì)無(wú)差異，但可由參數(shù)對(duì)比知cascode補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)顯著的降低了相位裕度。

（3）電路對(duì)比

若看Cc=3pF時(shí)的參數(shù)對(duì)比，可得出，零點(diǎn)補(bǔ)償過(guò)后的二級(jí)運(yùn)放電路的GBW最大，折疊式的最小?？芍\(yùn)算放大器的性能指標(biāo)之間相互制約，折疊式的高增益是以犧牲GBW為代價(jià)得來(lái)的。同時(shí)由圖也可知，補(bǔ)償電阻值的選擇至關(guān)重要，零極點(diǎn)補(bǔ)償需精神選擇參數(shù)。

4、結(jié)論

cascode補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)算放大器該電路的優(yōu)點(diǎn)是，可以將密勒補(bǔ)償電容的前饋通路截?cái)?，使PSRR得到改善。與密勒結(jié)構(gòu)相比，其主極點(diǎn)的位置一樣，但cascode的非主極點(diǎn)較密勒補(bǔ)償?shù)姆侵鳂O點(diǎn)頻率更高，故cascode可以用相對(duì)較小的補(bǔ)償電容來(lái)達(dá)到同樣的頻率補(bǔ)償結(jié)果。

但是該電路的缺點(diǎn)是，原來(lái)的次主極點(diǎn)變?yōu)榱艘粚?duì)共軛極點(diǎn)，而該極點(diǎn)的作用會(huì)導(dǎo)致gain-peaking，同時(shí)由于電容的作用，第二級(jí)放大管處于線性區(qū)，性能不穩(wěn)定，以至于其放大的增益很低。

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項(xiàng)目支持：“基于Cadence的運(yùn)算放大器穩(wěn)定性研究”（編號(hào)：S202111116075）