两级运放的频率补偿

1、1通路通路2477423DmGSTHMMIgVVNXY如果忽略体效应比较和这两个器件被设计成相同的过驱动电压时，它们具有相同的跨导在电流相等的情况下，WW因此，结点 和或对地的小信号电阻相等，但N点有较大的电容。所以N处产生下一个非主极点p1999999p2991?11?SmLCGDELCGDLSmLCGDELCGDLSLCGDECGDLELRgRCCCRCCCRgRCCCRCCCR RCCCCCCC C 2012212121112312111dB.ss1.s,1 s/1/. 1/1/p,.1/1/1/,1/mmnnnniiniipN saa sa sa sDbsb sb sKpspspbpp

2、pppbpb主极点近似法：如果主极点存在，则可以用来预测电路的3带宽。通用传递函数G传递函数没有零点或零点不重要，上式可变为G对比可得存在主极点131211dB1j,1dBKGpbp幅频响应与3带宽 2121222121212121212121211122211121 22sss11/1/1111/1/011111,|1111,ppN sDDbsb sspspspspssbsb sppp pbbppp pppbbbppbp ppbb 对于两极点系统：G将拆开得，两式系数对比发现，假设存在主极点：即，又，即12112121,ppbbbbb综上：。999p1p29999911?,?1SmLCGDE

3、LCGDLSmLCGDELCGDLSLCGDECGDLELRgRCCCRCCCRgRCCCRCCCR RCCCCCCC C noutout2s+s01sg011XiXGSXGDSXGDmXoutDBDGDmDoutinSDSmDGDSGSDGDDBGSGDGSDBGDDBVVV CVVCRVVCVVCsRCsgRVsVR RsRg RCR CRCCsC CC CCC对X点和Y点分别运用基尔霍夫电流定律其中999p1p29999911?,?1SmLCGDELCGDLSmLCGDELCGDLSLCGDECGDLELRgRCCCRCCCRgRCCCRCCCR RCCCCCCC Cp1p2111SmD

4、GDSGSDGDDBSmDGDSGSDGDDBSDGSGDGSDBGDDBRg RCR CRCCRg RCR CRCCR RC CC CCC主极点非主极点 211GDmDoutinSDSmDGDSGSDGDDBGSGDGSDBGDDBCsgRVsVR RsRg RCR CRCCsC CC CCC其中21121212110,ppbbsb sbb999p1p29999911?,?1SmLCGDELCGDLSmLCGDELCGDLSLCGDECGDLELRgRCCCRCCCRgRCCCRCCCR RCCCCCCC Cp1p2111SmDGDSGSDGDDBSmDGDSGSDGDDBSDGDGSGDD

5、BGSDBRg RCR CRCCRg RCR CRCCR RCCCCC C主极点非主极点999p1p29999911?,?1SmLCGDELCGDLSmLCGDELCGDLSLCGDECGDLELRgRCCCRCCCRgRCCCRCCCR RCCCCCCC C9p1999999p299,11,1LCGDELSmLCGDELCGDLSmLCGDELCGDLSDGDGSLCGDECGDLLBEDRCCCCRgRCCCRCCCRgRCCCRCCCR RCCCCCCC CRCCC999p1p29999911,1SmLCGDELCGDLSmLCGDELCGDLSLCGDECGDLELRgRCCCRCCC

6、RgRCCCRCCCR RCCCCCCC Cp12p1229999929p29901/1gg,ppCLpLLSmLCGDELCGDLmmpCGDEELLSLCGDECGDLELCR CRgRCCCRCCCCCCCCR RCCCCCCC C这两个表达式是在假定的基础上得到的。然而，在补偿之前和具有相同的数量级。对于和较大的C ，。为比较补偿前后的数值，我们考虑一般的情况：C992299gg/1/ggmmppLLLLmLmLLLR CR CRRCC。可见密勒补偿把输出极点增大了倍，这是相当大的值。可见，密勒补偿使两级间的极点向原点移动，使输出极点向离开原点的方向移动。11out12out12199

7、9v12112iller111g1EvCvCmLmCGpmCmpmDvpmmmCzCmCR gR CgCgMRCACRA CCgCCAg R gRR gR CCgC 对于用方法补偿的二级运放来说，起主要作用的零极点如下：单位增益带宽：AGB=owhy对于一个两级点、一右半平面零点的系统，如果它的零点在10倍的单位增益带宽之外，那么要得到60 的相位裕度，第二个极点必须在2.2倍的单位增益带宽之外。?补偿电容的选择p1p2p1p2oououuup1p21oooup2up2u90180arctanarctanarctan1arctan18090arctan305.7124.29102.22.2ta

8、n24.29CzooooCG由于密勒补偿电容的存在，和将会离的很远。假定，这样在单位增益带宽频率处第一个极点引入相移，要求PM60 。所以有PM60Boop1p2oz1oooo905.71905.7160o可见贡献相移 粉红绿 ，贡献-24.29 相移 粉红 ，贡献-相移 粉所以PM=180-24.29 -o对于一个两级点、一右半平面零点的系统，如果它的零点在10倍的单位增益带宽之外，那么要得到60 的相位裕度，第二个极点必须在2.2倍的单位增益带宽之外。补偿电容的选择121iller1mmmpCpzCmCgRMRCgggCCC 对于用方法补偿的二级运放来说，起主要作用的零极点如下：单位增益带

9、宽：GB1210100102.22.22. 222.mmzmmCCmmpmCmCCggGBggCCggGBgCg CCCCC 全差分运算放大器设计精粹um 5zoDDVVHz一、设计指标采用上华0.6CMOS 2P2M工艺，指标如下：直流增益：80dB单位增益带宽:50MHz负载电容:=5pF相位裕度:60幅值裕度:12dB差分压摆率:200V/ s共模电平:2.5V共模负反馈单位增益带宽:10MH等效输入噪声:20nV输入失调电压:4V三、性能指标分析_差分直流增益 dm189121m1113315572m229911overall12133155799111801a;2;|10ommoom

10、ooomoommoomoomooAdBC scadeMMMMG Rggr rgr rG Rgrrggr rgr rgrr 、差分直流增益该运放存在两级：、级增大直流增益、共源放大器第一级增益：A第二级增益：A整个运算放大器的增益：AAA480dB三、性能指标分析_差分压摆率max1maxu11u11u1uu111p2uslew Rate:dv2/,g/222g2/2CCoutDSCCmCCmDSDSDSGSTHCmDSGSTHDSGSTHoxSSRIISRdtCCgCCIIISRVVCIVVIVVWCL、差分压摆率200V/转换速率是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。定义转换速率输入级：单

11、位增益带宽可以得到其中11max9max139dv22min,CCoutDSCCLDSDSCCLIISRdtCCCIISRCCC因此，提高两级运放转换速率的一种方法是尽可能增大管子M的有效电压。输出级：该运放的转换速率三、性能指标分析_静态功耗s91013s315mW153mA5taticDDDSDSDStaticDCDDPVIIIPmWIVV、静态功耗：该运放没有功耗指标，这里我们以为例简单分析一下。运放的静态功耗：静态功耗确定了整个电路的静态电流最大值为：我们将该电流分配到电路的不同地方。例如，100 A给偏置电路，2900 A给两级运放。分配多少完全根据设计人员的经验来确定。三、性能指标

12、分析_等效输入噪声三、性能指标分析_相位裕度、单位增益带宽op1p2p1p2uooooup1560 ,50z30180arctanarctaCMH、相位裕度单位增益带宽假设运放只有两个极点。(实际上，会有两个以上的极点，同时还有可能存在右半平面或左半平面的零点。)由于密勒补偿电容C 的存在，和将会分开的很远。假定，这样在单位增益带宽处第一个极点引入-90 的相移，要求PM60 。所以第二个极点在单位增益带宽处的相移要多于。所以有PMup2oooup2up2p2uonarctan18090301.732,2tan30o60取三、性能指标分析_相位裕度、单位增益带宽 p13315579911133

13、155799111p1p2131|a11moomoomooCoverallmmoomoomoomuoveramllCCmCgr rgr rgrrCggr rgr rgrrR gRgCTelescoCgCpeC scodeMM 另外，主极点AA为了得到高的单位增益带宽，就该使非主极点最大化。两级运放中存在至少三个极点：、点处的漏极、 3p,Cascode311392m933315579911312|g3g1|mGSGDDBSBmoomoomooCmLpLmmoomoomooCLGSGgGCCCgr rgr rgrrCgCCggr rgr rgrrCCGC 的源极 的极点

14、：、补偿电容引入的主极点：、输出极点：该极点主要是由输出电容C 引起。这三个极点从小到大顺序为：113DDBSBCCCMFB三、性能指标分析_共模反馈6CMFB、共模反馈：为了稳定全差分运放输出共模电压，必须设计共模负反馈。在设计输出平衡的全差分运放的时候，必须考虑以下几点：共模负反馈的开环直流增益要求足够大，最好能够与差分开环直流增益相当。共模负反馈的单位增益带宽也要求足够大，最好接近差分单位增益带宽。为了确保共模负反馈的稳定，一般情况下要求进行共模回路补偿。共模信号检测器要求具有很好的线性特性。共模负反馈与差模负信号无关，即使差模信号通路是关断的。分析：该结构共用了共模放大器和差模放大器的

15、输入级中电流镜及输出负载。一方面降低了功耗；另一方面保证共模放大器与差模放大器在交流特性上完全一致因为共模放大器的输出级与差模放大器的输出级完全共用，电容补偿电路也完全一样。只要差模放大器特性是稳定的，共模负反馈也必然稳定。这样不用考虑共模负反馈电路对差分运放的影响。三、性能指标分析_电压偏置电路12310111256137BBBBBBBBBWWWLLLWWWLLLWWWWLLLL、电压偏置电路：宽摆幅电流源在共源共栅输入级中需要三个电压偏置，为了使得输入级的动态范围大一些，用上图中的宽摆幅电流源来产生所需要的三个偏置电压。根据宽摆幅电流源的设计要求，必须满足78144BBBBWWWLLLil

16、lerM三、性能指标分析_补偿电阻in9z11929z912198ill10g111CminCmCmCCCCpmpLCmCMeRRgrRVg VCgRRC sCCgR、补偿电阻电阻可以单独用来控制零点的位置，主要有以下几种方法。将零点搬移到无穷远处，消除零点，。原因：把零点从右半平面移到左半平面，并且落在第一个非主极点上。这样，输出负载电容引起的极点去除掉了。这样做必须满足必须等于1条/g件：91LmCCCiller四、手工计算_确定M补偿电容22n,op2z9191zup2uum119/,55.2/,0.73 ,1.01iller10,210,20.20.2 51oxpoxTH NTH PmmmmCLCCLCCA VCA VVV VVMggggCCpFpFCCCC 首先，我们必须从CSMC 0.6