劉 萌

（1.貴州大學(xué)電子科學(xué)系，貴州 貴陽550025；2.貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025）

0 引言

運(yùn)算放大器是模擬系統(tǒng)或者數(shù)模混合信號系統(tǒng)的一個重要部分，在很多領(lǐng)域中涉及到運(yùn)算放大器的應(yīng)用[1]，包括有源濾波器、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、波形發(fā)生器等等。各種機(jī)構(gòu)與復(fù)雜性各異的運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能[2]：從產(chǎn)生偏置到濾波或放大。增益和穩(wěn)定性[3]是運(yùn)算放大器的兩大重要因素，而這兩方面的因素是由運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)決定的。對這兩方面的優(yōu)化是互相制約的，通過多級級聯(lián)可以獲得較高的放大倍數(shù)，但是多級運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高增益的同時，由引入了多個極點(diǎn)。使得運(yùn)放的穩(wěn)定性顯著惡化。通過在輸入與輸出間添加補(bǔ)償電容和調(diào)零電阻的方法可以對單位增益帶寬和相位特性進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。本電路在第二級的輸入與輸出間增加了補(bǔ)償電容和電阻構(gòu)成的RC密勒補(bǔ)償。補(bǔ)償電容用來調(diào)節(jié)電路的極點(diǎn)，進(jìn)而調(diào)節(jié)增益帶寬。補(bǔ)償電阻用來調(diào)節(jié)電路的零點(diǎn)，從而調(diào)節(jié)相位特性。

1 電路實(shí)現(xiàn)

圖1給出的CMOS二級運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)電路圖。主要包括了以下幾個部分：偏置電路、輸入級放大電路、二級放大電路、補(bǔ)償電路。

圖1 運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)

偏置電路由M8-M13晶體管和電阻R1組成。M8和M9參數(shù)相同，是一對匹配的pmos鏡像電流源。通過在M12上串聯(lián)電阻R1，使的晶體管M12和M13失配。電阻R1決定了偏置電流I1的大小。M11與M13接為二極管形式，為cascode連接的M10提供偏置電壓，這種cascode結(jié)構(gòu)減小了溝道長度調(diào)制效應(yīng)造成的電流誤差。

圖2 電路等效模型

由于鏡像電流源M8和M9的作用，M12與M13通過的電流是相等的I1.可得

又由電路結(jié)構(gòu)可得

可以得到偏置電流為

從上式中可以看到，I1僅與電阻R1阻值和晶體管M12和M13的尺寸有關(guān)，不受電源電壓的影響。因而可以通過調(diào)節(jié)電阻R1和晶體管M12和M13的尺寸來調(diào)節(jié)偏置電流的大小。每個晶體管的Gm都正比于因?yàn)榭梢酝ㄟ^I1求出每個晶體管的跨導(dǎo)。

輸入級放大電路由M1-M5組成。其中M5為輸入級提供穩(wěn)定的偏置電流。而M1和M2是一組差分輸入對，相比單端輸入可以有效地抑制共模信號干擾。M3和M4作為有源負(fù)載。輸出級由M6、M7組成。M6是共源放大結(jié)構(gòu)，M7提供偏置電流也作為第二級的輸出負(fù)載。相位補(bǔ)償電路由電阻R0和電容Cc構(gòu)成?？缃釉谳敵黾壍妮斎牒洼敵鲋g。繪制電路的簡單的等效模型如圖2。

圖中兩級都是互導(dǎo)放大器，第一級電壓增益為：

第二級位：

所以總的放大倍數(shù)估計(jì)為：

由等效電路可以得到兩個KCL等式

可得電路的傳輸函數(shù)為

在第二級的輸入和Cc之間串聯(lián)串接一個電阻,可以通過調(diào)節(jié)阻值的大小來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)零點(diǎn)的作用。串聯(lián)后系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)不發(fā)生變化，零點(diǎn)變?yōu)?/p>

通常將零點(diǎn)移動到略大于單位增益帶寬的地方，以獲得足夠大的相位裕度，確保電路穩(wěn)定。

2 仿真結(jié)果

圖3給出了用cadence中的spectre仿真的幅頻和相頻特性。可以看到仿真結(jié)果和理論基本吻合，增益能達(dá)到81.29dB，相位裕度達(dá)到64度。單位增益帶寬26.74MHz。

3 結(jié)束語

圖3 幅頻和相頻特性圖

本文設(shè)計(jì)了采用米勒補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器，即在輸出級和輸入級間串聯(lián)補(bǔ)償電容和電阻。即提高了增益，又增加了運(yùn)算放大器的單位增益帶寬，同時保證了相位裕度在60度以上，保證了電路的穩(wěn)定。

［1］易清明,張靜,石敏.低功耗CMOS集成運(yùn)算放大器的研究與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2007,03:414-416+420.

［2］李建中,湯小虎,魏同立.一種低電壓CMOS折疊-共源共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2005,04:412-415.

［3］柳遜,閆娜,吳曉鐵,程君俠.一種高性能運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2005,06:28-30+33.

［4］Behzad Razavi．Design of Analog CMOSIntegrated Circuits[M]．西安交通大學(xué)出版社,2002,12:141-143．