林宇　劉潔　陳思琪　任燁磊　章惠

摘要：本文主要研究兩級放大器，因補償方式不同，而導致的增益，相位裕度，帶寬等參數(shù)變化，造成的穩(wěn)定性的變化。通過既定的設計電路指標，計算出電路所需結(jié)構(gòu)的理論參數(shù)，并用cadence仿真帶cascode補償?shù)膬杉夁\算放大器。通過設置變量，并用ADE中的掃描功能，觀察變量的不同參數(shù)值對該電路的穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)的影響變化趨勢。經(jīng)過分析，可以得出帶密勒補償?shù)膬杉夁\算放大器可以顯著補償零極點，帶調(diào)零電阻的兩級運算放大器可以抵消密勒電容，cascode補償結(jié)構(gòu)的增益很小，但是會對補償PSRR。同時，密勒補償?shù)碾娙葜狄约傲泓c補償?shù)难a償電阻值的選擇，至關(guān)重要，影響補償“度”對帶寬有很大影響。

關(guān)鍵詞：電路;運算放大器;穩(wěn)定性;補償

自運算放大器誕生以來，基于運算放大器的電路設計以及相關(guān)的制造工藝，都已取得了重大進展。運算放大器的經(jīng)常會探究速度、功耗、增益、擺幅、噪聲等參數(shù)，但在實際設計中，這些參數(shù)相互牽制。設計過程中，明確最需要以及可以妥協(xié)的參數(shù)，對參數(shù)進行折中選擇也需要對這些參數(shù)進行分析，這些量的探討就是我們對運算放大器進行的穩(wěn)定性分析。因此，本文主要對帶cascode（NMOS管和PMOS管級聯(lián)得來的結(jié)構(gòu)）補償?shù)膬杉夁\算放大器進行研究與分析。

1、cascode補償結(jié)構(gòu)

我們常用的經(jīng)過密勒補償?shù)膬杉夁\算放大器，會引入右半平面零點，從而使運放的頻率響應的穩(wěn)定性變差，除了加入調(diào)零電阻，我們也常用cascode compensation，即cascode補償?shù)姆椒▉碚{(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

當Cc位于X點，為密勒補償電路，當位于Y點，為cascode補償電路，該電路是通過cascode將由X點經(jīng)由電容Cc到輸出的前饋通路截斷。

2、設計圖

設計參數(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)。

由于工藝庫以及實際的誤差等方面也會影響參數(shù)的大小，故我們需要在cadence中進行微調(diào)，來確保可以達到既定的設計指標。

3、電路仿真與優(yōu)化

算放大器是由兩級或多級放大器構(gòu)成的高增益放大器，每級放大器至少包含一個極點，而每一個極點產(chǎn)生的最大相移為90°。因此，兩級或多級放大器環(huán)路增益的總相移至少有兩個極點影響，而其在高頻時很可能達到或超過180°，此時如果環(huán)路增益的振幅大于0dB，則相位裕度變?yōu)榱?，即在低頻時的負反饋在高頻時變?yōu)檎答?，閉環(huán)系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。因此，必須對環(huán)路增益加以修正，即進行相位補償，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。運算放大器常用兩種相位補償方法——極點分離法和零點補償法。

（1）不同結(jié)構(gòu)增益的對比

（2）帶cascode補償?shù)膬杉夁\算放大器改變電容對相位裕度的影響

帶cascode補償?shù)膬杉夁\算放大器改變電容對相位裕度的影響趨勢和折疊式兩級運算放大器的趨勢無差異，但可由參數(shù)對比知cascode補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)顯著的降低了相位裕度。

（3）電路對比

若看Cc=3pF時的參數(shù)對比，可得出，零點補償過后的二級運放電路的GBW最大，折疊式的最小?？芍\算放大器的性能指標之間相互制約，折疊式的高增益是以犧牲GBW為代價得來的。同時由圖也可知，補償電阻值的選擇至關(guān)重要，零極點補償需精神選擇參數(shù)。

4、結(jié)論

cascode補償兩級運算放大器該電路的優(yōu)點是，可以將密勒補償電容的前饋通路截斷，使PSRR得到改善。與密勒結(jié)構(gòu)相比，其主極點的位置一樣，但cascode的非主極點較密勒補償?shù)姆侵鳂O點頻率更高，故cascode可以用相對較小的補償電容來達到同樣的頻率補償結(jié)果。

但是該電路的缺點是，原來的次主極點變?yōu)榱艘粚曹棙O點，而該極點的作用會導致gain-peaking，同時由于電容的作用，第二級放大管處于線性區(qū)，性能不穩(wěn)定，以至于其放大的增益很低。

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項目支持：“基于Cadence的運算放大器穩(wěn)定性研究”（編號：S202111116075）