魏昱嵩

摘 要： 介紹了帶二級(jí)密勒補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器的電路原理和分析方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)二級(jí)運(yùn)放并得到了仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明補(bǔ)償電路提高了放大器的增益帶寬，設(shè)計(jì)的電路功耗較低，負(fù)載較大。

關(guān)鍵詞： 二級(jí)運(yùn)算放大器;二級(jí)密勒補(bǔ)償;仿真

中圖分類號(hào)： TB????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.13.093

1 引言

模擬電路中的運(yùn)算放大器被應(yīng)用在模擬計(jì)算機(jī)中，在線性、非線性和頻率相關(guān)的電路中進(jìn)行典型的數(shù)學(xué)運(yùn)算。最早期的有放大功能的電路是由真空管組成的電路結(jié)構(gòu)，真空管的體積比較大，要占用比較大的面積，功耗較大。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了由晶體管代替真空管的放大器。集成電路工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了更小尺寸的芯片來代替較大尺寸芯片實(shí)現(xiàn)同樣的功能，電路結(jié)構(gòu)的電源電壓的不斷降低和電路結(jié)構(gòu)對(duì)最大承受電流的、低功耗的要求，低壓低功耗高增益的二級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)在集成電路領(lǐng)域變得越來越重要。

模擬電路中運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)步驟：第一，進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)，選擇設(shè)計(jì)所選用的晶體管和各個(gè)電路器件，繪制出原理圖;第二，參數(shù)的估算，根據(jù)所要求給定的參數(shù)，總體上估算出電路中元器件的參數(shù)數(shù)值;第三，仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證實(shí)際數(shù)值是否與估算值有相差，如果有相差，我們需要進(jìn)一步分析導(dǎo)致偏差的原因，通過微調(diào)電路結(jié)構(gòu)或者元器件的參數(shù)最終得到滿足設(shè)計(jì)功能要求的電路圖。

2 二級(jí)運(yùn)算放大器的典型的電路結(jié)構(gòu)

CMOS運(yùn)放的差分跨導(dǎo)級(jí)構(gòu)成運(yùn)放的輸入級(jí)，同時(shí)達(dá)到了雙端差分輸入變換到單端輸出的效果。通常，整個(gè)電路的增益、大部分都是差分級(jí)和第二級(jí)提供的、可改善噪聲性能和降低輸入失調(diào)。輸出緩沖級(jí)一般采用反相器，當(dāng)差分輸入級(jí)沒有完成差分-單端變換時(shí)，就由緩沖級(jí)的反相器來完成。偏置電路是用來給電路中的各個(gè)晶體管建立適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)的。另外，通過采用密勒補(bǔ)償和增加調(diào)節(jié)零點(diǎn)的電阻來穩(wěn)定閉環(huán)特性。圖1給出了典型的二級(jí)運(yùn)放的整體結(jié)構(gòu)。

2.1 典型的CMOS二級(jí)密勒補(bǔ)償運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電路結(jié)構(gòu)主要包括：第一級(jí)差分輸入級(jí)放大電路第二級(jí)放大電路、偏置電路和相位補(bǔ)償電路。M1～M5組成運(yùn)放輸入級(jí)，M1和M2組成差分輸入對(duì)，可以抑制共模信號(hào)和噪聲的干擾;M3、M4為有源負(fù)載;M5為第一級(jí)提供恒定偏置電流;輸出級(jí)放大電路由M6、M7組成，M6為共源放大器，M7為其提供恒定偏置電流，同時(shí)作為二級(jí)輸出負(fù)載。相位補(bǔ)償由M14和Cc實(shí)現(xiàn)。M14工作在線性工作區(qū)，可以等效為一個(gè)電阻，調(diào)節(jié)零點(diǎn)的位置。

2.2 采用密勒補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)定性

高直流開環(huán)增益和大輸出電壓擺幅的運(yùn)算放大器需要頻率補(bǔ)償。采用密勒補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容在第一增益級(jí)的輸出和第二增益級(jí)輸入之間，與第二增益級(jí)的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)相關(guān)的兩個(gè)極點(diǎn)被分開，電容同時(shí)提供了一個(gè)前饋信號(hào)通路，引入了一個(gè)右半平面零點(diǎn)。通過增加與補(bǔ)償電容串聯(lián)的電阻可以消除這個(gè)右半平面零點(diǎn)。

2.3 靜態(tài)特性分析

常見的兩級(jí)運(yùn)放的典型結(jié)構(gòu)是差分放大器作為運(yùn)放的輸入級(jí)，可以達(dá)到比較好的抑制噪聲的作用并且提供比較大的增益，第二級(jí)是共源級(jí)放大器，提供比較大的擺幅。偏置電路用于給提供高增益的第一級(jí)和補(bǔ)償電路提供偏置用的電流和電壓，補(bǔ)償電路和調(diào)零電阻通過改變零極點(diǎn)的位置，使電路達(dá)到較好的穩(wěn)定性。第一級(jí)的運(yùn)算放大器根據(jù)輸入結(jié)構(gòu)的不同，也可以是套筒式和折疊式。套筒式共源共柵運(yùn)算放大器由于輸入擺幅小，不利于閉環(huán)使用。折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的輸入擺幅和輸出擺幅都相對(duì)高一些，能夠閉環(huán)使用。因此使用范圍更廣泛，但這些優(yōu)點(diǎn)是以損失增益為代價(jià)的。暫時(shí)不考慮調(diào)電阻M14 ，繪出電路的電路模型，如圖4所示。

由于第一級(jí)差分輸入對(duì)管M1與M2相同，有

Gm1 = gm1 = gm2

R1表示第一級(jí)輸出電阻，其值為

R1= r02 ||r04

則第一級(jí)的電壓增益

A1 = Gm1R1 = gm2（r02||r04）

對(duì)第二級(jí)有

Gm2 = gm6 =2IDS6/VGST6

R2 = r06||r07

第二級(jí)的電壓增益

A2 = -Gm2R2 = -gm6（r06||r07）

故總的直流開環(huán)電壓增益為

A0 =A1A2 =-gm2 gm6 （ r02 || r04 ）（ r06 || r07）

3 設(shè)計(jì)的帶密勒補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)放電路

3.1 二級(jí)運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)

Candence軟件中搭出下面的原理圖后生成symbol，利用symbol搭建仿真平臺(tái)，用spectre仿真來得到電路的性能參數(shù)。

上圖設(shè)計(jì)中M0、M13、M12、R0為偏置電路級(jí)，M26是運(yùn)放的啟動(dòng)電路。M5、M6、M7、M8M9為第一級(jí)輸入放大電路，M10、M11為第二級(jí)輸出放大電路，C0是密勒補(bǔ)償電容，R1是調(diào)節(jié)零點(diǎn)所在頻率位置的電阻。

電路中MOS管的尺寸、電阻、電容的大小見表1。

3.2 電路特性測試

圖6～圖9中，負(fù)載電容為500fF。

3.3 仿真結(jié)果

運(yùn)算放大器在共模輸入電壓355mv條件下，直流開環(huán)增益為75dB，相位裕度達(dá)到了89度，低頻電源電壓抑制比為104.5dB，低頻共摸抑制比為80.9dB，運(yùn)放的單位增益帶寬達(dá)到了13.195MHZ。

4 結(jié)論

本文的運(yùn)算放大器的共模輸入電壓是355mv，直流開環(huán)增益為75dB，相位裕度達(dá)到了89度，運(yùn)放有很好的穩(wěn)定性，低頻下電源電壓抑制比為104.5dB，低頻下共摸抑制比為80.9dB，運(yùn)放的單位增益帶寬是13.195MHZ。

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