（通信与信息系统专业论文）嵌入式密勒补偿放大器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近几年来，快速增长的i c 需求已经使模拟电路的设计产生了些根本性的 变化。电路设计的重点已经从基本的参数要求转向了低电压、低功耗方面，同 时要求电路具有更好的精确度和更低的噪声。随着电路设计转向低电压需求， 电路结构的频率补偿技术也有了新的需求。补偿方式不仅要降低能耗，还必须 适应低压电路的拓扑结构。因此，研究作为通用模拟电路模块的运算放大器具 有重要意义。在国家自然科学基金和四川省学术带头人基金的资助下，针对电 源管理芯片的应用需求，我们进行了其中运算放大器模块的设计和其所采用的 补偿技术研究。 论文基于运算放大器的基本原理，结合嵌入式密勒补偿技术的工作原理， 首先对运算放大器的基本组成电路进行介绍，为电路设计做了必要的理论支持。 然后，针对运算放大器指标特性，对整个设计过程作出了说明。 出于对采用补偿技术的运算放大器技术指标的综合考虑，我们设计出了基 于嵌入式密勒补偿技术的两级c m o s 运算放大器，并对电路中的共源共栅输入 级、共源级输出电路、频率补偿技术和运放电源抑制比做了分析说明。 基于u m c 的o 5um 的双铝双层多晶c m o s 工艺m o d e l ，采用h s p i c e 仿真工具，我们对所设计的电路进行了详细的仿真。仿真项目包括放大器的开 环增益、相位裕度、共模及差模输入范围、转换速率等。结果表明，在3 v 的 电源电压下，放大器直流增益为8 7 d b ，相位裕度6 3 。，增益带宽1 2 m h z ，电 源抑制比7 5 6 d b ，达到设计要求。此放大器的突出优点为结构简单，频率补偿 效果好。用两级放大电路实现了较高的性能指标，使开环增益在低频段稳定不 变，同时增益带宽大，频率特性好，在实际中能够取得很好的应用。 关键词：运算放大器；频率补偿；密勒补偿；h s p i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s 仃a c t t 1 1 er 印i d l yi 1 1 c r e 8 s i i l gi i l t c 乒a t i o nd e n s i 石e so f i m e 鲫t e dc i r c i l i tt e c h n o l o 西e sh a s f o r c e ds o m e 劬妇n e i 】t a lc h 锄g e so fd i r e c t i o ni nm ef i e l do f 卸矗1 0 9i n t e 臣a t e d e 1 咖n i c s d e m a n d so na c c u r a c y 缸l dn o i s e ，m ed e s i g ne m p h 踮i sh a sg h j r e d 丘d m m eb a s i cq u a l 衔e st o w a r d s 协ea b i l i t yo fc i r c 试t st o0 p e r a t ea la1 0 ws u p p l yv o l t a g e ， c 0 碰；u l n i i l g a 珂如i n m m 枷0 l l t o f p 黼a 蟠0 c i a 士e d w 胁m e 衄n s i 廿0 n t o l o w ) 1 t a 萨d c c i 血 d e s i 盟i sad 锄她df o r 舶q u c n c yc o m p 吼s a t i o nt e c l l i l i q u e st h a ta d e d i c a t e dt o 也e n 州c o n t 麟t ：c o i n p e s a t i o ns 删e sw h i c hd r e 船e 也ep o 、v e rc o 璐眦p t i o n ，b u t a b o v ea 1 1w l l i c ha r ec 印a b l eo f h a n d l 啦也es p e c i 丘cd e m a n d so fm el o wv 0 1 t a g e a m p l i f i e rt 叩0 1 0 菩嚣m 删就) v e r i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os t i l d yt h e 卸1 p l i f i e ra sa g e n e r a lb 1 0 c ki na n a l o gc i m 血s l l p p o r t e db yn a t i o n a ls c i c ef o u n d a t i o no fq 血a a n ds i c h u a l lp r o v i n c ea c a d e r n i ca n dt c c h n 0 1 0 酉cl e a d e r sf o u n d 瓶o n ，w eh a v eh e l d d e 印r e s e a r c hi l ll d wv o l 协g e 锄p l i 丘盱锄dm ec o m p e n s a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y o h 1t h i sp a p a i la m p l i 丘c rb 踞。do nn e s t e dm i l l e rc o i n p e n s a t i o nt e c l l l l 0 1 0 9 y a p p l i e dt oai o wd r o p o u tl i n e a rv o l t a g er c g u l a 土0 rh 勰b e e i ld e s i g n e d a t 血葛t ，w e i l l 奸o d u c e t h e g e n e r a l p a r t o f f h e a r n 曲丘e r g i v e n n e c e s s a r y b a s 主c 也e o r y f 酞t h e w o r k 。 t h e nw ec x p l a i l l 血ew h o l ep r o c e s so f d 髂i g nt 0m en e e do f s p e c i a ld l a r a c 矧s t i c c o i l s i d 咖gt 1 1 ep 觚m l e t e ro f l 量l eo p 啪廿0 n a la i 】叩h 丘w ed e s i 印t 1 1 e 惭。一s t a g e a m p l m e rb a s e do nn e s t e dn l i h e rc o m p e n s 撕o n t h w ea n a l y s i s 也ec a s c o d e s 衄l c t i 】r e ，c o r n m o nr e s o l c eo u t p ms t a g e ，矗e q u 髓c yc o m p s a t i o nt e c h 【0 1 0 9 ya n d p o w e rs u p p l yr e j e c d o nr a d oo f t l l e 锄p l i 丘瓯 a n e r 廿1 a t ，o n 也eb 嬲i so fm eu m co 5 啪2 p 2 mc m o sm o d e l ，h s p i c e s i i i l u l a t i o nr e s u l t s 州c hi n c l u d e st h eg 血，d i 仃邑r 训a lm o d ei n p u tr 卸n g e ，c o m m o n m o d ei n p u tr 如g e ，p o w e rs u p p l y r e j e c t i o nr a t i o n ，c o m m o nm d d er e j e c d o nr a t i oa n d s l e wr a t e w i t hm en o m i a ll o a d s ，a 叩e n _ 1 0 0 pg a i l l ( a v ) o f8 7 d b ，a 戚t yg a i l l b 柚捌d m ( g b ) o f1 2 m 比，ap h 鹪em a r g i i l ( 由) o f6 3 0 ，a n dap 6 w e rs u p p l yr e j e c l i o n r 撕。口s 砒q7 5 6 d bh a v eb e e na c h i e v e df o rav d d o f 3 v k e yw o r d s ：o p 盯a t i o 枷a m p l i f i e r ；f r e q u e n c y m p e l l s a t i o n ；m i l l e rc o m p e n s a t i o n ； h s p i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着便携式电子产品的迅速发展，功耗成为现代集成电路产品的关键性能 之一，而降低功耗的一个重要方法就是降低电源电压。另方殛，现代集成电 路特征尺寸越来越小，也导致集成电路产品的工作电压越来越低。1 9 9 9 年，半 导体工业协会增对未来十年c m o s 电路的电源电压发展作了预测【l ”，预计到 2 0 1 0 年，集成电路的电源电压将下降到1 v ，而到2 0 1 5 年，电压将进一步降到 o t 4 5 v 。 尽管数字电路起着越来越重要的作用，数字化已经成为当代电子产品的发 展方向，但模拟电路作为数字电路的基础，仍然起着不可替代的作用。大量电 子设备的原始信号均为模拟信号，如电磁记录、扬声器、麦克风、c c d 等，它 们所产生韵信号均为模狱信号。这些信号在进行数字处理前必须先经过祺拟信 号处理，如放大、a 仍转换等。同时，数字化处理以后的信号必须再次还原为 模拟信号，才能重新为现实世界所接受。近年来，单片系统集成s o c ( s v s t e m o nc h i p ) 发展非常迅速。然而，从技术角度看，数字系统的单片集成并不圃难， 难点在于模拟部分的单片集成。在c m o s 工艺日益发展的今天，采用c m o s 技术制造的低电压模拟电路的设计过程已经成为人们研究的热点。在新的设计 需求下，如何设计出性能合适的电路是我们需要研究的主要方向。 运算放大器是模拟及数模混合电路中的一个重要基本模块。随着电源电压 从传统的1 2 v 、5 v 不断降低，以往的运放结构已经无法满足电路设计的需要。 而且，信号的动态范围也因电源电压下降而极大的降低。为了提高电路的信噪 比，获得稳定的工作区域，补偿技术是关键之一。近年来，在传统的单电容密 勒= 摹 偿的基础上，薮的补偿技术不断出现。运救的补偿也戏为了设计中必备环 节之一。在新的条件下，研究开发采用合适补偿技术并具有高性能指标的放大 器就变得十分重要。本课题的目的是根据电源管理芯片的设计需求，设计一个 低压c m 0 s 运算放大器芯片，要求具有较高的参数指标和稳定的增益带宽。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 从上世纪6 0 年代中期由r 0 b e r tj w i l d e r 设计并由f a i r c h i l d 公司发布第一块 运算放大器l 蝴0 9 以来，集成运算放大器技术得到了极大发展。与传统的双极 型运放相比，m o s 工艺的运放在增益、失调、速度几个特性方面略差。但是 m o s 运放集成度高，噪声小，而且可以在低电源电压下工作，所占面积只是同 等双极型运放的2 0 或者更小。随着器件的特征尺寸不断缩小，m o s 运放更由 于其可以等比例缩小的特性，得到了极大发展。 现在，运放已经被广泛应用在几乎所有的电子系统设计中。除了通用的运 算放大器模块以外，针对某些特殊场合的应用，又形成了对运放某项性能参数 的特殊要求，产生了高速型、宽带型、低功耗型等不同种类的运放。现在，对 于运算放大器主要有下列几个方面的发展课题：( 1 ) 低压运算放大器，主要在低 电压状况下保证工作特性( 2 ) 双极性运算放大器，主要在于改进电路的输入特性 ( 3 ) b i j e f t ，主要在于改进其输入电路噪声“) 混合运算放大器，主要在高速和 大电流缓冲中应用( 5 ) 单片功率运算放大器，散热问题使其发展的主要障碍( 6 ) 仪器运算放大器，它在输入失调电压和电流方面要求很严格( 7 ) 介质隔离运算放 大器，在抗辐射方面的到了很好的应用【5 l 】。 然而，随着电子技术的飞速发展，电子器件的电源电压越来越低，针对低电 压情况下如何保持运放的性能指标，获得较好的稳定工作状态，已经成为当前 设计的热点问题。低压技术中，首先得到广泛采用的是多级放大器技术，因为 在应用中单级放大器不再适合低电压设计。同时，亚微米c m o s 器件的短沟道 效应使增益和输出摆幅不断下降，频率特性不断变差。因此，在设计中采用频 率补偿技术就显得非常必要。 本文的目的是根据电源管理芯片的需求，设计一个低压高增益带宽的 c m o s 运算放大器。与传统运放相比，它主要具有以下特点：( 1 ) 开环增益在低 频段保持稳定( 2 ) 频率特性好，具有合适的相位裕度( 3 ) 结构简单合理，补偿电路 不需要占用过多的芯片面积，有助于降低功耗。 到现在为止，已经提出了很多种频率补偿的拓扑结构【3 3 】。【4 ”。大部分拓扑结 构是基于极点分裂技术，利用电容进行频率补偿。但是很多分析只是集中在系 统的稳定性上，而对整个放大器的性能指标却没有很好的重视。结果，很多此 类的稳定结构并不适合应用到实际的设计工作中。 目前，对于已经存在的拓扑结构，主要有单电容密勒补偿，多零点密勒补 偿，嵌入式密勒补偿，多支路嵌入式密勒补偿和零极点抵消密勒补偿技术等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 对于这些结构，并没有进行详细的比较，本文将在这方面进行一定的工作。这 将为以后应用设计者为特定的设计环境，选择一个合适的补偿结构提供依据。 在国内，由于受到工艺条件、基础研究与设计水平的限制。在c m o s 低压 运放的研发方面才起步不久，与国外还有很大的差距。研究开发具有自主知识 产权的低压运算放大器显得十分重要。本文放大器是针对电源管理芯片的设计 需求进行设计的。由于电源管理i c 在各种便携式电子产品和以电池作为动力的 系统中有着非常广泛的应用，故在近几年得到迅速发展并不断更新换代。电源 管理i c 的市场非常大，而且前景诱人，因而世界著名的半导体厂商无一不在研 发和生产这类器件。从电源管理i c 设计趋势来看，综观模拟i c 对质量要求主 要集中在速度( s p e e d ) 、精度( p r e c i s i o n ) 、功率消耗( p o w e rc o 唧t i o n ) 、 电压控制能力( v o i t a g ec a p 出i l i ：c y ) 、电流控制能力( q l r r e n tc a p a b i l 毋) 、可靠度 ( r e l i a b i l 时) 和稳定度( s t a b i l 时) 等七个评估指标，因此，有鉴于低电压、 低耗电量和更长的电池寿命等便携式产品应用需求兴起，电源管理等模拟i c 必须符合高转换效率、省电和避免过热的问题。 1 3 本论文的工作 本论文将低电源电压下采用嵌入式密勒补偿的误差放大器作为本次课题的 研究对象。 本文采用u m c 的o 5 u mc m o s 工艺m o d e l 进行设计与仿真，通过对运 算放大器的原理分析和不同补偿技术的分析比较，本文给出了合理的设计方案， 设计出两级c m 0 s 运算放大器和偏置电路，对电路中的共源共栅输入级、共源 级输出电路、频率补偿电路和运放的电源抑制比做了分析说明。然后借助仿真 设计软件h s p i c e 对电路进行了完整的设计和模拟仿真，包括放大器的开环增 益、频率特性、电源抑制比p s r r 、共模抑制比西悠汛、共模输入范围、差模 输入范围、以及摆率s l e wm t e 的仿真。结果表明该运算放大器电路的各项参数 均达到或优于设计所需指标。 具体工作如下： 第一章说明了开展本课题的背景和意义。 第二章阐述了模拟电路的基本知识，频率补偿技术的概念和运放的基本参 数和设计思路。 第三章叙述了运算放大器各部分的研究和设计过程，对放大器的增益级、 偏置电路、系统稳定性、电源抑制比等都进行了详细说明。 亘堕窭堕查兰堡主堕塞竺兰焦笙窒塑兰至 第四章讲述了运算放大器的具体设计，并且对放大器电路的各项参数进行 了详细分析，借助仿真设计软件h s p i c e 对电路进行了模拟仿真，并与一个作为 参考的低压运放进行了性能比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章运算放大器的设计基础 2 1m 0 s f e t 的伏安工作特性 这里以增强型n i 讧o s f e t 为例讨论它在各工作区域的基本关系式【2 】 4 】【1 8 】。 2 1 1n m o s 特性 ( 1 ) 司变电阻区 当v o s v 硼( 增强型m o s f e t 的开启电压) ，o v d s v t 丑，v d s v 6 s - v t h 时，m o s f e t 工作于饱和区，i d 主要受v o s 控制。但是随着v d s 的增大，淘道有效长度缩短，而沟道区的电压降( v 。s - v t ) 基本不变，因而i d 将随v 1 s 增加而略增。这种现象称为沟道调制效应。在饱和 基本不变，因而i d 将随v d s 增加而略增。这种现象称为沟道调制效应。在饱和 区内，i d 表示为 f d = 去几( s 一h ) 2 ( 1 + a y w ) ( 2 r 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 式中a 为调制系数，其值与沟道长度l 有关。l 愈短，沟道调制效应愈严重，a 值愈大。当沟道长度短于1 0 咖时，应当考虑漏电压对沟道长度的调制作用。l 在1 0 u m 左右时，a 的典型值为o 0 3 3 v 一。由于电路中m 0 s f e t 往往工作在较 高的漏电压区，所以对短沟道m o s f e t 必须考虑“允”的修正。 在模拟电路中，m o s f e t 的跨导g m 是一个非常重要的参数。根据上式可求 得m o s f e t 在饱和区静态工作点( v g s 、i d 、v d s ) 处的小信号正向转移跨导 g m 和动态电阻r 出。 如2 老l ( 2 ) - 尾( 一) ( 1 + 旯) _ 弩i p 6 ) 厅面_ 一 2 2 、主以 ( 1 + a ) 厶 ( 2 - 7 厂矿 = 1 2 以c w 厶 ( 2 - 8 ) 可见要增大g m ，则要增大i d 或w 几值。 从上式的比较可以看出，双极型晶体管的跨导g m 完全决定于它的工作电流 i c ，而m o s f e t 的饱和区跨导g m 不仅和它的工作电流i i ) s 有关，而且可以通过选 择器件尺寸( w 几) 力日以改变。正因为如此，使得m o s 模拟集成电路的设计更 加灵活。但是，应当记住，相对于双极晶体管而言，m o s f e t 的跨导要小得多。 g m2 老m 。5 ) - 圭凤( 一r 扣 ( 2 - 9 ) 故动态电阻r 出为： h ：上：! 墨垡( 2 1 0 ) 一了一 u 1 w 2 2 单级c m 0 s 放大器 2 2 1 采用电阻负载的共源极放大器 1 毒确 图2 1 共源级电路及输入输出特性能 石= = i _ i = = 堕重攀堕圭塑窒竺兰焦笙壅 蔓! 墓 借助于自身的跨导，m o s 管可以将栅一源电压的变化转换成小信号磊砭i i f 小信号漏极电流流过电阻就会产生输出电压。在图2 1 中，共源极就起到了这 样的作用。如果输入电压从零开始增大，m l 截止，v 。t - v d d 。当n 接近v t h 时，m l 开始导通，电流流经r 。，使v o u t 减小。如果v d d 不是非常小，m ，饱 和导通，我们可以得到： 呦= 一如h 孚( 吃一) ： 这里忽略了沟道长度调制效应。进一步增大v i ，v 。下降更多， 工作在饱和区，直到v 佃= v 。 v t h ，在a 点处满足 。一= 啪一如h 孚( 。一) ： 从上式中可以计算出v 证1 v 1 h ，并迸一步计算出v o u 。 当v i l l ) v i n l 时，m l 工作在线性区： 7 j 雠l ：国d r 。丢卢。l ：矗孚 2 ( 阳n 一 7 南) 1 7 b “f 一砌“f 2 如果v 缸足够高以使m 】进入深线性区，v 。( ( 2 ( v h v t h ) ，则 ( 2 1 1 ) m o s 管继续 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 吼扛啪彘2 忑蠡 q 勘n + 如1 + 脚g ，里r ( 胁一，1 一 因为在线性区跨导会下降，我们通常要确保v 。) v 0 v t h ，工作在图2 1 中a 点的左侧。用式( 2 1 4 ) 表征输入输出特性，并把它的斜率看作小信号增 益，我们可以得到 矽= 筹= 一如以詈( m 一) ( 2 1 5 ) 2 2 2 采用电流源负载的共源极放大器 应用中有时要求单级有很大的电压增益，关系式a 、p 勖r d 表示，我们可以 增大共源极的负载电阻。但是对于电阻或者二极管连接的负载而言，增大阻值 会限制输出电压的摆幅。 一个更切实可行的方法是用电流源代替负载。电路如图2 2 所示，电路中 两个管子都工作在饱和区。因为在输出结点所看到的总的输出阻抗等于r o ，和r 0 2 并联，所以增益为 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 彳v = 一g 。l ( ，| l ，0 2 ) ( 2 1 6 ) 这里的关键是：m 2 的输出阻抗和所要求的m 2 的最小i v d s 之间的联系较弱， 而电阻阻值和它上面压降之间的联系却较紧密。通过简单地增加m 2 的沟道宽 度，就可以使电压d 珏痂产l v g s 2 - v 他l 减小到几百个毫伏。 图2 2 采用电流源负载的共源级 2 2 3 共漏级放大器 对共源极的分析指出，在一定范围的电源电压下，要获得更高的电压增益， 负载阻抗必须尽可能大。如果这种电路驱动一个低阻抗负载，为了使信号电平 的损失小到可以忽略不计，就必须在放大器后面放置个“缓冲器”。源跟随器 ( 也叫共漏极放大器) 就可以起到一个电压缓冲器的作用。 如图2 3 所示，源跟随器利用栅极接收信号，利用源极驱动负载，使源极 电势能“跟随”栅压。首先分析大信号特性，我们注意到当v 。 v 协+ v g s 2 一v 删。 甲 幸 铲耻牝 掌斧争吒耻啜 叫氓士丧兰_ ) 警茹i i 呼 工 1 ” 圈2 - 5 共源共栅结构及其输入输出特性曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 为了保证m 2 饱和，必须满足v 0 。v b v l m ，如果v b 的取值使m l 处于饱和区 边缘，则v o u t v h - v n 玎。f v b s 2 v n l 2 。从而保证m 1 和m 2 工作在饱和区的最小输 出电平等于m z 和m 1 的过驱动电压之和。换句话说，电路中m 2 管的增加会使 电路的输出电压摆幅减小，减小的量至少为m 2 的过驱动电压。我们也说成m 2 “层叠”在m ，上。 现在我们分析v 自从零变化到v d d 的过程中，共源共栅极的大信号特性。 当v 证v t h j 时，m l 和m 2 处于截止状态，v o u t - i v d d ，且v ；一v b v 1 磁( 如果忽 略亚阈值导通情况) 。当v m 超过v 瑚1 之后，m 1 开始抽取电流，v 。下降。因 为i d 2 增加，v g s 2 必定同时增加，故而导致v r x 下降。如果假定v 缸为足够大的 值，会出现两个结果： ( 1 ) v x 降到比v h 低一个阈值电压v 删，迫使m 1 进入线性区。 ( 2 ) v 。降到比v b 低一个闽值电压v t h 2 ，使m 2 进入线性区。 对于不同的器件尺寸和r d 以及v b ，任何一个结果都可能先于另一个发生。 如果v b 比较低的时候，m 1 会进入线性区。需要注意的是，如果m 2 进入深线性 区，、，x 和v 。将接近相等。 现在我们考虑共源共栅极的小信号特性，假设两个晶体管都工作在饱和区。 如果五= o ，因为输入器件产生的漏电流必定流过共源共栅器件，所以电压增益 与共源极的电压增益相同。 2 3 运放系统稳定性概述 运算放大器一般都工作在闭环状态下，对于常见的如图2 6 所示负反馈系 统，它的闭环传输函数可以写成： 如= 嵩 抽掣扫怖l ( 2 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 我们注意到，如果式( 2 - 2 6 ) 分母为零，则系统增益就会趋于无限，电路可以 放大自身的噪声直到它最终开始振荡。换句话说，如果卢日( s q ) = - 1 ，则电路可 以在频率q 处产生振荡，此条件可以表示为： l 黟h q q ) | - l( 2 2 7 ) 印日( ，q ) = 一1 8 0 。 ( 2 - 2 8 ) 这称为巴克豪森判据( b a r l d l a l l s e n sc r i t c r i a ) ，也就是说增益为1 的时候，产生了 1 8 0 。的相移，由于负反馈本身也产生1 8 0 。相移，所以环路总的相移为3 6 0 。， 就构成了正反馈的基本条件。 。：# 嘲 地l 甜l 、 圈2 7 不稳定系统和稳定系统的环路增益波特图 图2 - 8 两极点系统环路增益的波特图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 8 可以看成环路增益下降到1 的频率下的过量相位，或者等效地看成 相位达到1 8 0 。的频率下的过量环路增益。因此，要避免不稳定，那么在相移 达到1 8 0 。以前，增益就必须下降到1 以下。在这里，使环路增益的幅值等于1 和使环路增益的相位等于一1 8 0 。的两个频率在稳定性方面起着重要作用，分别 称这两个频率点位“增益交点”和“相位交点”。 多级运算放大器是一个多极点系统，每一个增益级会产生一个极点。对于 一个两极点系统，我们进行它的稳定性分析。系统的环路增盏波特图如2 8 所 示，在= p 1 处幅值以2 0 d b d e c 开始下降；在d = p 2 处以4 0 d b ，d e c 开始下降。 同样，在( 1 ) = o 1 ( 1 ) 。l 处相位开始变化，在( i ) = p l 处相位达一4 5 。，在= l o p l 处达一9 0 。在u = 0 1u 位处相位再次开始变化，在【i ) = 。p 2 处相位达- 1 3 5 。，而 后逐渐趋近1 8 0 。因为在系统的增益交点处，相位小于- 1 8 0 。因此系统是 稳定的。 如果反馈更弱，将发生什么情况? 我们将反馈系数口减小，得到上图2 8 中的灰色幅值曲线。对于对数的纵坐标，反馈量的变化转化成了幅值曲线的纵 向变化，但是这时的相位曲线并不改变。当反馈变弱时，增益交点向原点移动， 而相位交点保持不变，其结果是系统更稳定，这种稳定性是以减弱运放性能为 代价得到的。 j 睑竺 州妊j 图2 - 9 闭环频率响应和时间相应 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 通过上面的研究我们知道，要保持系统的稳定，增益必须在相位曲线下降 到一1 8 0 。前下降至1 ，那么相位交点应离开增益交点具体多远? 如图2 9 ( a ) 所示，如果增益交点仅仅稍低于相位交点，其相位等于1 7 5 。 此时有： ；c 俐= 糕 音e x p ( 一，1 7 5 。) l + 唧( 一，1 7 5 。) ：土塑：! ! 竺= ! ：塑! ! o 0 0 3 8 一歹0 0 8 7 2 ( 2 2 9 ) 因此可得： j 壹u q 1 2 砉石丽茏“等 ( 2 _ 3 0 ) 在低频下，在附近u = m 。l ，闭环频率响应出现一个尖峰。也就是说，闭环 系统接近振荡，其阶跃响应呈现欠阻尼振荡特性。这也表示，尽管一个二阶系 统是稳定的，但是还是很有可能产生减幅振荡的缺点。 如图2 9 所示，如果增益交点超前相位交点有更大的间距。那么，系统 在频率和时域均具有良好的闭环特性。因此，保证增益交点小于相位交点的同 时，它们之间的间距越大，反馈系统越稳定。在增益交点频率下，所对应相位 曲线点的相位可以坐为系统稳定性的度量，这种度量我们称之为相位裕度。 以适当的相位裕度获得更好的系统稳定度这一点，可以通过研究时域闭环 系统响应得到很好的理解【4 】。图2 1 0 显示了不同相位裕度时二阶闭环系统的时 域响应曲线。所以有足够的相位裕度来保证振荡幅度在可以接受的范围内，是 非常重要的。当相位裕度为6 0 。时： 】，( ，西) x ( q ) * 1 户( 2 3 1 ) _ r i 。匠州丘州。畦 图2 - 1 0 不同相位裕度时系统闭环响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 此时闭环频率的尖峰可以忽略，反馈系统的阶跃相应出现小的减幅振荡现象， 可以提供快速稳定的相应速度。对于更大的相位裕度。系统更加稳定，但是系 统的时间相应减慢了。因此，6 0 。的相位裕度被认为是最合适的数值i ”】。 2 4 运算放大器的设计原理 运算放大器已经成为模拟集成电路设计中一种最常用和最重要的集成电路 模块。集成运算放大器是一种实现高增益的多级直接耦合放大器。初期，它主 要用于模拟量的数学运算( 如加、减、微分和积分等) ，运算放大器的名称也由 引而来。从电特性来看，它是一个比较理想的增益器件，具有高增益，输入阻 抗大，输出阻抗小等特点，同时通常还有零输入、零输出的特性，以保证集成 运放与信号源、负载或其他集成运放间互连时，便于实现直流电平的配合和缓 冲隔离作用；从电路结构来看，集成运放是一个差动输入，单端输出的直接耦 合放大器。 图2 _ 1 1 运算放大器基本符号 图2 1 1 中运放的输入级是由改进型的差动放大电路组成，以获得尽可能高 的共模抑制比和尽可能高的输入电阻，几乎所有运放的输入级均采用差动放大 电路，主要目的是为了抑制零点漂移；对于中间增益级，应有尽可能高的放大 倍数，通常由l 2 级直接耦合共射或组合放大电路组成，集成运放的增益主要 由这部分提供；运放的输出级，提供一定的输出功率和具有低的输出电阻，通 常由射极跟随器或互补推挽电路组成，以保证运放输出具有较低的输出电阻及 零输出特性：偏置电路为各级电路提供合适的工作点，主要是由镜像恒流源电 路组成，提供各级所需的恒流偏置【4 2 】【4 3 。上述提到的四个部分是主要的，而并 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 非全部的电路。比外，各级电路中还有将差动输入级的双端输出转换为单端输 出的电路，以及电平位移电路等。 理论上说，运算放大器的差模电压增益为无穷大，输入电阻也是无穷大， 输出电阻则为零。但在实际应用中，运算放大器的性能只能接近这些值。在非 理想情况下，输出电压为【l6 】： = 4 ( 巧) ( 2 3 2 ) v l 和v 2 分别是输入到同相端和反相端的输入电压信号，a 。是开环差模电 压增益。运算放大器的设计要考虑到一些边界条件与性能要求。运算放大器的 边界条件包括：工艺要求；电源电压和范围；电源电流和范围；工作温度和 范围。性能要求包括：增益；增益带宽：建立时间：转换速率；共模输入范围 c m r ；差模输入范围c 哝r ；电源抑制比p s r r ；输出电压摆幅；输出电阻；失调； 噪声；版图面积。表2 1 是典型的c m o s 运放技术条件。 表2 - 1 典型s 运放的技术条件 边界条件要求 电源电压 士5 矿1 0 电源电流1 0 0 u a 额定值 温度范围 o o o c 技术条件要求 增益 7 0 础 增益带宽i 纰 建立时间5 0 淞 转换速率 2 矿淞 输入c 田 3 y c m r r 6 0 d 日 p s r r6 0 d 8 输出电压摆幅 士4 y 输出电阻不提供，只给负载电容量 失调电压 1 0 册y 噪声1 0 0 h 矿月j ，l k h z 时 版图面积 s 1 2 0 0 0 0 u 砰 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 4 1 设计思想 在设计运放时，可以从许多不同的起点来设计。设计过程也是反复迭代， 因为设计时不可能同时把所有的技术条件都一次考虑进去。从总体来看，运放 的设计包括两个主要步骤：第一步是设计构想，第二步是设计的优化。 其中设计的构想是指出一种满足所给技术条件的总体结构，经过仔细检查 技术条件后，确定所需要的结构类型。例如，如果要求噪声和失调很低，就要 用一种高增益输入级结构。如果要求电源功率低，就要用a b 类输出级。同时 据此定下要用的输入级类型。一般要根据具体的技术要求，确定适当的结构。 设计运放的器件尺寸以得到适当的直流，交流和瞬态特性。在设计过程中 可能会发现所确定的结构很难或者不能满足技术条件的要求。这是就要改进结 构，对提出的设计方案进行检验，设法满足要求并使之优化。 2 4 2 性能参数 对于运放的设计，在设计电路架构之前，不但要清楚电路原理及其工作过 程，还要充分理解各种电路参数，电路参数与电路结构的联系，分析影响电路 参数的各种因素，这样才会在以后的电路设计中及时进行调整，最终以使运放 的设计结果满足设计指标的要求。下面阐述运放主要的设计参数，以便了解各 个参数在什么地方和为什么变得重要“j 。 ( 1 ) 增益 运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。理想的运放的开环增 益为无穷大。如果综合考虑速度与输出电压摆幅这一类的参数，则在设计运放 时，必须知道所运放需要的最小增益。高的开环增益有抑制非线性的能力。 ( 2 ) 小信号带宽 运放的高频特性在许多应用中起重要作用。当工作频率增加时，开环增益 开始下降，这样就会在反馈系统中产生更大的误差。小信号带宽通常被定义为 单位增益频率无，在今天的c m o s 运放中，它可以超过1 g h z 。为更容易预测闭 环频率特性，也可以规定3 d b 频率正。运放的带宽不仅取决于稳定精度，还 取决于必须提供的闭环的增益。 f 3 1 转换速率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 在当今的许多应用中，运放必须在瞬态大信号下工作，在这种情况下，非 线性现象使得对速度的表征非常困难，很难只通过小信号特性来表示速度。反 馈电路中使用的运放表现出的转换速率( s l e wr a t e ) 是一种大信号特性。转换速 率定义为对于大的输入阶跃，输出表现出具有不变斜率的线性斜坡的斜率。在 处理大信号的高速电路中，转换是一种不希望的现象。尽管一个电路的小信号 带宽可以提供快速时域响应，但大信号的速度也许会被转换速率限制，原因是 对电路中的主要电容器充电和放电的电流太小。转换是一种非线性现象，转换 放大器的输出表现很大的失真。 f 4 ) 输出摆幅 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。对大输出 摆幅的需求使全差动运放使用相当普遍。最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电 流、因而与速度之间，其性能指标是相互制约、可以易换的。达到大的摆幅在 当今的运放设计中是主要的课题。 ( 5 ) 线性 开环运放有很大的非线性。非线性问题通过两种方法来解决：采用全差动 实现方式以抑制偶次项谐波；提供足够高的开环增益以使闭环反馈系统达到所 要求的线性。在许多反馈电路中，决定开环增益选择的因素是线性的要求，而 不是增益误差的要求。 f 6 ) 噪声与失调 运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平。在常用的运 放电路中，许多器件由于必须用大的尺寸或大的偏置电流都会引起噪声和失调。 而且一般说来，负反馈并不能改善电路对噪声的抑制性能。 ( 7 ) 电源抑制 运放常常在混合信号系统中使用，并且有时连接到有噪声的数字电源线上。 因此，在有电源噪声时，尤其是在噪声频率增加时，运放的性能是相当重要的。 电源抑制比是用来衡量运放对电源噪声抑制能力大小的【1 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章运算放大器的分析与设计 本章对低压c m o s 运算放大器的各部分进行了研究和设计。首先分析和设计 了运放的输入级和输出级电路，其次是为运放提供偏置的恒流源电路，最后为 运放选择了合适的频率补偿电路，并分析了系统的电源抑制比特性。 3 1 运放系统的总体方案 任何电路的设计都是针对相应的需求进行的，运放做为一个模拟电路的通 用模块，也不能将同一种结构应用在任何场合。比如高增益运放的设计和低噪 声低功耗运放的设计过程就完全不同。本文针对电源管理芯片的应用需求，来 确定具体运放的设计结构。在这个设计中，对运放的性能要求为：在低电源电 压情况下，具有较高的开环增益和良好的相位裕度，避免较大的噪声，同时有 较好的电源抑制比和稳定的增益带宽保证系统稳定工作。 因为运放需要在低的电源电压下工作，要求电路噪声较小，所以电路结构 不能过于复杂，要在满足性能要求的前提下选择简洁有效的结构，并保证各个 器件能处于正常工作状态。其次，对于设计的高增益需求，传统的单级差分结 构无法满足，因此我们采用了两级结构。第一级提供高增益，第二级提供适合 图3 1c m o s 运算放大器框图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 的输出摆幅。前面我们已经提到，放大器每增加一级都会引入新的极点，给系 统带来稳定性问题，所以在反馈系统中，更多级的运放很难保证其稳定性。同 时，我们通过合适的频率补偿结构，保证系统具有合适的相位裕度，并将运放 的低频增益保证在一个稳定的范围。 具体的应用中，针对一般的两级运放存在增益不够大，无法控制由于高阶 极点引起的有限稳定带宽，以及由于密勒补偿导致的电源抑制比( p s i 汛) 下降 问题【4 】这几个问题，我们重新进行了分析设计。本文的运算放大器系统框图如 3 1 所示。 3 2 输入级的设计 如今的电路设计中，采用跨导o t a 结构( 。p 蹦啦o n a lt r a n s c o n d u c t a n c e a i i l p h 丘c r ) 的放大器已经得到了普遍应用。常见的差分输入方式有套筒式共源 共栅结构和折叠式共源共栅结构。 3 2 1 套筒式共源共栅结构 要提高放大器的增益，可采用共源共栅器件，利用高输出电阻特性来提高 的增益。共源共栅结构的设计思路是将输入电压转换为电流，然后将它作为共 栅级的输入。在这种放大结构中，我们对提供偏置电流的部分也采用共源共栅 结构，利用它的高输出阻抗特性可以提供接近理想的电流源。这种结构称为套 筒式运放，它的电路特性及小信号模型如图3 2 、3 3 所示。由图3 3 可得出输 出阻抗： 图3 2 共源共栅结构图3 3 麸源麸栅结构小信号模型 杆掣篙翠啊笮书： 籼 - 和 一 删 伽 。m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ，1 = 【屹l + 屹2 + ( 罟2 + 鲁6 2 ) 吃1 名2 】| l 名3 + 4 + ( g m 3 + g 州6 3 ) 吃3 屹4 】 = ( g 2 屹1 名2 ) | | ( g - 卅3 屹3 4 )( 3 一1 ) a 1 = 一g 删1 7 k f 一g k l 【( 兽2 名1 0 2 ) ij ( g 卅3 屹3 4 ) ( 3 2 ) 从计算中我们看到，由于共源共栅结构的输出阻抗很高，因此相应提高了 系统的增益。与只有m 1 和m 3 的一般共源级放大结构相比，套筒式共源共栅结 构将输出电阻从r o l | | r 0 3 提高到鼬r o l r 0 2 0 n 3 r 0 3 r 0 4 。利用o 5 l l m 硅栅体c m o s n 阱 工艺的模型参数计算可知实际阻值大约提高了两个数量级，即在同样的差模输 入范围内将增益提高了相同等级。同时，若源共栅的高输出阻抗给系统带来了 “屏蔽”的作用，使它不容易受到输出节点电压变化的影响。 这种结构的缺点是限制了输出电压的摆幅，在图3 2 的结构中，它的输出 摆幅为： 2 一( l + 2 + + l 3 i + i 。1 ) ( 3 3 ) 式中的v o d x 表示c 的过驱动电压。 套筒式共源共栅运放的另一个缺点是很难以输入和输出断路的方式实现单 位增益缓冲器。为了减小这些不利因素，另一种折叠式共源共栅运放得到了广 泛的应用。 3 2 2 折叠式共源共栅结构 图3 _ 4 折叠式共源共栅电路及其半边等效电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 在上图3 4 所示的结构中，输入器件和共源共栅器件分别采用p m 0 s 和 o s 器件也可以完成和套筒式结构相同功能。因为它们的小信号电流向下进 行了“折叠”，所以称之为折叠式共源共栅结构。 在这种结构中，为了给输入对管m 1 和m 2 进行偏置，需要增加一个电流源。 因此，与套筒式结构相比它要消耗更大的功率。 根据图3 4 的半边等效电路，我们可以计算出电路的输出阻抗： w * ( g 。7 + g 。6 7 ) 韬7 场9 州【( g 。3 + g 。6 3 ) r d 3 ( 砀l l 汤5 ) 】 ( 3 - 4 ) 由此得出： 匆“g 。1 ( 7 + g 枷) 饧7 b 9 叭3 + 岛6 3 ) 3 ( ，d 1 i l 饧5 ) 】) ( 3 5 ) 如果适当选择v b l 和v 虻，运放的摆 鬲可以达到 一( 3 + 5 + l ，l + l 9 i ) ( 3 5 ) 相比套筒式结构，折叠式共源共栅的输出摆幅高了一个v c s s o 对于相类似 的器件尺寸和偏置电流，p m o s 输入差动对管要比卜m o s 输入差动对管表现出 较低的跨导。而上式中r o l 和r 0 5 的并联，特别是由于m 5 流过了输入器件和共 源共栅支路的两股电流减小了输出阻抗。因此，式( 3 5 ) 的增益比类似的套筒式 共源共栅结构的增