一种两级运放中消除右半平面零点的新结构_银海

1、第36卷第3期2006年6月微电子学MicroelectronicsVol.36,3Jun.2006一种两级运放中消除右半平面零点的新结构银海,张波,刘强(电子科技大学IC设计中心,四川成都610054)摘要:提出了一种新的两级运放结构,可以消除由密勒补偿电容引起的右半平面零点。该结构采用多路径零点取消(MZC)的理论,不同于传统的方式,该结构直接利用了第二级的负载管,来引入前馈通路取消右半平面零点,简化了电路,降低了功耗。关键词:两级运放;密勒补偿;零点取消中图分类号:TN432文献标识码:A文章编号:1004-3365(2006)03-0356-02ANewStructureofTwo-S

2、tageAmplifierWithoutRHPZeroYINHai,ZHANGBo,LIUQiangAnewstructureoftwostageamplifierispresented,whicheliminatesRHPzeroscausedbyMillerAbstract:compensationcapacitance.Thestructureisbasedonthetheoryofmultipathzerocancellation(MZC).Incontrasttoconventionaltopology,thenewstructuredirectlyusesloadingtransi

3、storinthesecondstageoftheamplifiertocreatethefeedforwardmultipathtocanceltheRHPzero,soitsimplifiesthecircuitandreducesthepowerdissipation.Keywords:Twostageamplifer;Millercompensation;ZerocancellationEEACC:2570D幅减小等缺点。因此,另一种简单有效的方法:多路1引言两级运放的频率补偿方法中,最常见的就是密勒电容补偿法。该方法通过在两个增益级之间引入密勒补偿电容,利用极点分离效应,提高相位裕度

4、。但是,密勒电容也会引入一个右半平面零点(RHPZero)。在某些电路,特别是一些CMOS运放中,由于MOS管的跨导较低,可能会导致右半平面零点相对靠近原点,极大地影响相位裕度,甚至导致运放不稳定。针对这一问题,已提出了许多解决方法,最经典的方法就是给补偿电容串联一个电阻1径零点取消法(MultipathZeroCancellation,4MZC),也已被广泛采用。采用MZC法,可以在改变零点位置时不影响极点位置,方便了设计。本文首先介绍了多路径零点取消(MZC)的理论及传统的实现方式;接下来,提出并分析了一种在两级运放中实现MZC的新结构;最后,给出了仿真验证结果以及与传统电路结构的比较。可

5、以看出,采用新结构的运放更为简单,功耗相应也更小。2MZC理论及电路实现右半平面零点来自于由输入到输出流过密勒电容的小信号电流和运放第二级gm的交互作用。如图1所示,MZC法通过一个附加的前馈跨导级所产生的小信号电流,来取消高频时输入级产生的流过密勒电容的小信号电流,从而达到取消零点的目的。(1)式给出了图1的小信号电压传递函数:。这种方法的主要缺点是电阻会占用不小的芯片面积,而且在许多应用中,由于输出级的电流变化很大,输出级跨导的变化也会很大,这样就很难通过一个确定的电阻固定零点的位置。此外,还可以通过源随器等消除右半平面零点1,2。但这样也会带来输出摆收稿日期:2005-09-14;定稿日

6、期:2005-11-30第3期银海等:一种两级运放中消除右半平面零点的新结构357mmf1m1gm1gmLRo1RL1+sm1mLAv(sCL(1+sCmgmLRo1RL1+sgmL采用MZC理论的两级运放(以下简称结构C)。它(1)不同于结构B,通过构造一个新的输入级来产生前馈小信号电流。这种新结构直接利用运放第二级的负载管来产生前馈跨导级,MN4和MP4管不仅可以用来产生第二级的偏置电流,还可以用来产生前馈小信号电流。这样,就简化了电路设计,降低了功耗。适当设置MN4和MP4的跨导,由补偿电容产生的右半平面零点就可被取消,或者产生一个左半平面零点,来抵消第二主极点,产生更大的相位裕度。图1

7、采用MZC方法的密勒补偿两级运放的拓扑结构可见,在gmf1=gm1时,右半平面零点就可以被完全取消;而且,极点位置和传统的密勒补偿两级运放是相同的。且当输出电流增加,输出级跨导也变大,将使第二极点更为远离原点,进一步增大相位裕度。在一些应用中,还可以进一步增大gmf1,使系统产生一个左半平面零点,可以用它取消第二主极点,得到更大的相位裕度。图2是采用MZC结构的两级运放电路,框中部分是典型的密勒补偿两级运放(以下简称结构A),框外的MP4、MP5、MN5、MN6及MN7构成前馈跨导级,和A一起构成了比较常见的采用MZC理论的两级运放(以下简称结构B);偏置与宽长比分别与构成运放第一级的MP1、

8、MP2、MN1、MN2及MN3相同。这样,就可以使gmf1=gm1相同,右半平面零点就可以被取消了。图3新的采用MZC结构的两级运放4仿真验证和结果分析在典型0.6m标准CMOS工艺模型下,利用HSPICE对结构C(图3)进行了仿真。图4为系统的波特图。图4新结构运放频率响应波特图图2采用MZC结构的两级运放在2V电源电压及10pF负载电容的情况下,将图2和图3中A、B、C三种结构在相同条件下进行了仿真。仿真结果列于表1。表1三种结构仿真结果对照表右半平面零点位置/MHz1.92161453采用MZC理论的新结构在图2所示的MZC两级运放结构中,为了引入前馈跨导级,构建了一个与运放第一级完全相

9、同的差分对。这样,使电路变得相对复杂,增加了芯片面积,也引起了更大的功耗。图3所示是一种新的结构ABC(下转第362页)362何峥嵘:一种低功耗调频发射电路2006年的频谱,如图9所示。态。具体措施是外围谐振网络采用可调的L、C元件,根据需要调节,以得到尽可能大的输出功率,并改善温度稳定性。5结束语调频发射电路是无线通讯领域常用的模拟集成电路。随着技术的不断发展,在该领域产生了一些新的电路结构和设计理念。本文阐述的设计理念,就是把复杂的板上系统转化为一个简单的片上系统。本文设计制作的电路就是一个成功实例,它把图9输出频谱4.2样品的不足该电路输出频率有偏移,根据外围设置,输出频率应始终为载波初

10、始频率的倍频(3、6、12倍),但实测输出频率偏移了1020kHz。这是由于可变电抗电路内部电容值的设置偏差造成的。此外,该电路输出功率随温度变化明显,特别是低温(-55)时,输出功率下降12dBm,这是由于作线性放大器的两个辅助晶体管在高低温下电流放大倍数降低而造成的。4.3改进方案为改进上述不足,采取了以下方案:1)增大可变电抗电路内部电容的容值,以减小输出频率偏移。具体措施是设计上增大电容面积、工艺上增加电容介质层。2)进一步优化外围电路设置作温度补偿,同时,合理调节外围谐振选频网络,始终保持谐振状(上接第357页)由表1可以看出,提出的新结构C能实现图2所示的传统的结构B的功能,使右半

11、平面零点远离原点,提高了相位裕度;而且,由于新结构C是直接利用第二级的负载管产生前馈小信号电流,因而简化了电路,降低了功耗。多个功能模块(以前可能包含多块电路和分立元件)集成到一块芯片上,大大缩小了系统的体积、提高了电路的可靠性、降低了生产成本。无论是从模拟集成电路的产品开发,还是产品的应用角度,都具有较为实用的指导意义。参考文献:1复旦大学物理系.半导体线路M.上海:上海人民出版社,1972.2朱正涌.半导体集成电路M.北京:清华大学出版社,2001.3JohnsDA,MartinK(著).模拟集成电路设计M.曾朝阳(译).北京:机械工业出版社,2005.作者简介:何峥嵘(1977-),男,

12、2001年毕业于四川大学自动化系,现从事模拟集成电路研究和开发工作,主要研究方向为放大器、乘法器。参考文献:1GrayPR.Analysisanddesignofanalogintegratedcir-cuitsM.4thEd.Beijing:HigherEducationPress,2003.2LeungKN,MokPKT.Analysisofmultistageam-plifier-frequencycompensationJ.IEEETransCircandSyst,2001,48(9):1041-1056.3LeeH,LeungKN,MokPKT.Adual-pathband-widthextensionamplifiertopologywithdual-looppar-allelcompensationJ.IEEEJSolStaCirc,2003,38(10):1739-1744.4EschauzierRGH,HuijsingJH.Frequencycompen-sationtechniquesforlow-poweroperationalamplifiersM.MA,Boston:Kluwer.1995.5结论提出了一种新的密勒补偿的