高增益两级运放结构的设计

高增益两级运放结构的设计

0运算放大器的设计指标要求运营矩阵是模拟电路设计中最常用、最重要的集成矩阵。而CMOS运算放大器主要用于模拟集成系统或子系统中,与整个系统设计制作在一个芯片上,所以它的负载是确定的,通常是几十pF的电容负载,这样就不需要像通用运放那样,要求电路能适应几百pF的电容负载或几千欧姆电阻负载。同时还可以利用负载电容形成运放的主极点,使电路简化。但由于它的增益不够高,在电路应用中很难达到高精度的要求。这次设计的是一种在基本的两级运放结构基础上改进而来的无缓冲CMOS运算放大器,用来解决它的增益问题。根据实际需要,本运算放大器的设计指标要求为:直流增益大于74dB;单位增益带宽10MHz;相位裕量大于60度;摆率为10V/μs;电路的工作电流小于1mA。1运营矩阵的设计本文所设计的电路是在采用频率补偿技术的两级运放结构的基础上,利用增益提高技术,来得到高的增益。1.1极电压与输出电流图1为一个带增益提高级的共源共栅结构,采用一个反馈放大器来控制M1的漏电压,使M1的漏电压等于Vb,使得输出电压的变化对M1的漏极电压影响变小,通过M1的漏极电流以及输出电流变得更加恒定,产生更高的输出阻抗。由小信号电路分析可得电路的输出阻抗比传统的共源共栅结构增加了A1倍,A1是反馈放大器的直流增益,如下式:Rout≈A1gm2ro2ro1.(1)由于在小信号情况下,Vb初值为零,电路简化,可用图2的形式实现,其增益等于:|AV|≈gm1(gm2ro2ro1)(gm3ro3)(2)1.2具有差分对管的电路如图3,电路中的电阻Ri和M12支路中的电流确定了晶体管M9,M14,M5,M13,M7的电流。在该电路中,我们根据指标要求来设置补偿电容为1.6pF,从而Ri阻值和M12的宽长比的选择,以摆率所确定的M5的漏电流为依据,来设置其宽长比。该电路中,电阻Ri阻值为570k,M12的宽长比为M5的一半3∶1,而M5的宽长比由共模范围最小值的指标要求来确定。M14和M15支路的电流确定了晶体管M21和M16的电流。M1和M2构成的输入的差分对管,M3和M4则构成电流镜负载。M3和M4的宽长比的值,在电路中由共模指标的最大值确定其值是33∶1.5。这样M1,M2,M3,M4,M5共同构成了运放的第一级,即差分放大器,而M13,M14,M15,M16,M17,M18,M19,M20和M21则是根据增益提高技术原理设计的辅助电路。通过本辅助电路,原电路直流开环增益得到了大大得提高,从原来的3800增加到到了27000多倍,比前期没有增加辅助电路而得到的增益高出了7倍多,而功耗只有1.4mW,其他参数如相位裕量、单位增益带宽和摆幅,稍微有所下降,不过仍能满足指标要求,而共模范围却比没加之前更好了,这样的结果是令人满意的。通过本技术增益很容易得到了提高而且也没有增加更多的共模共栅器件,从而也节约了成本。第二级是由M6和M7构成的电流源负载共源放大器,来作为输出级,其中M7提供偏置电流。为了使在闭环电路中反馈运算放大器输入端的信号幅度和相位不使该信号在环路中产生振荡,我必须在电路中增加相位补偿电路。图3中M8,M9,M10,M11和Cc构成在第一级与第二级之间的补偿电路。M8是调零电阻,由于流过M8的直流电流为零,而M11,M9和M10是一个分压电路,为M8提供偏置电压,因此M8工作在非饱和区,对零点位置进行控制。在总电路结构中,设置M8的宽长比的值使零点与p2极点重合,从而抵消了p2极点,形成了更加稳定的电路系统。2mosfim3v3模型我们采用通用的SmartSpice程序对此电路进行了模拟,对于0.6μmCMOS工艺,MOSFETBSIM3V3模型,电路的中的各器件的参数如表1所示。幅频特性、相频特性响应如图4所示。图5为输入输出特征曲线。从图中可以得出输入失调电压只有几个微伏。为使静态条件下,VIN=0,Vout=0,输入端只需要微伏的补偿电压。2.1单位增益时的相位裕量从图4我们可以直接测出仿真结果:Gain=88.8dB;PhaseMargin=64.4o;GB=13MHz。当单位增益时,放大器和反馈回路的相位之和小于180时,或者说在放大器和反馈回路的相位之和为180时,它的增益要小于1,这样的系统是稳定的。在单位增益时,相位值与180度之差,称为相位裕量。一般要求运算放大器的相位裕量至少要45度,最好60度,这样的系统最稳定。很明显,在满足增益和单位增益带宽的指标要求下,本电路中相位裕量足够大,能使电路相当稳定。2.2输入性能从图中我们可以得出输出摆幅,电压的正向摆幅约为2.48V,负向摆幅约为-2.5V,二者稍微有些差异,失调电压为40μV。2.3结果总结以上是具体的电路结构图和仿真结果,对其性能指标列表可得表:2.4参数中断处理电路的性能参数相互影响制约,这里主要是对一些比较重要的参数变化制约做的一个总结,也就是在电路参数调整中的一些指导和心得体会,如表3。3两级运算放大器电