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三级放大器的稳定性

三级放大器的稳定性

 

运算放大器被用于精确的处理高模拟信号,它们允许加法、减法、乘法等的模拟电压。下图中显示了三个输入电压,输出电压是由相应的电阻标放的输入电压的精确和。这只有当运放本身截止到高频都有高增益,低噪声等。高增益意味着对于任何输出电压,差动输入电压约为零。

如果我们使用MOSTs而不是双极晶体管,输入电流总是为零。在纳米CMOS中,一些栅电流可能会出现,导致输入电流的问题!这意味着运算放大器最重要的参数是增益和带宽,或增益带宽极GBW。对于一定的电容负载,我们将优化运放的GBW,以达到最小的功耗

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图 1 运算放大器

 

  1. 三级放大器的稳定性

由于我们已经熟悉了两级放大器的设计,我们可以很容易地将这种设计方法扩展到三级放大器。事实上,我们将两次使用米勒效应。

由此产生的功耗将相对较高,因为我们必须处理这两个非主导极。在第10章多级放大器中,我们将介绍更多低功耗的多级放大器。

在我们扩展到一个三级放大器之前,让我们回顾一下一个单级和二级放大器的原理。

一个单级放大器只有一个高阻抗点,通常在输出处。因此负载电容CL决定了GBW。它也是输入gm1决定了这个GBW

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图 2  一级 CMOS跨导运放

 

一个两级放大器有两个高阻抗点。这两点必须通过补偿电容CC连接才能进行极分裂。因此,该补偿电容决定了GBW。同样,是输入gm1决定了这个GBW。非主导极现在由输出处的负载电容CL确定。

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图 3  两级米勒 CMOS跨导运放

 

一个三级放大器有三个高阻抗点。这三个点必须由两个补偿电容CC和CD连接,以进行极点分裂。实现这一点的最有效的方法是嵌套这两个米勒电容,从而实现嵌套米勒配置。电容CC是整体补偿电容。这就是为什么它决定了GBW。另一个只是导致一个非主导极点。同样,是输入gm1决定了这个GBW。 现在有两个非主导极点。其中一个再次由负载电容CL确定,类似两级放大器。另一种则由附加补偿电容CD确定。现在的问题是,如何处理两个非主导极点?

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图 4  三级嵌套米勒 CMOS跨导运放

 

我们必须仔细拼出三级放大器的嵌套米勒补偿。前两级通常通过差分对来实现。 第一级是一个差分对,因为我们需要一个差分输入。第二级是通过差分对实现的,因为我们需要一个非反相放大器。否则,电容CC将提供正的反馈。第二级的替代方案是电流镜。下图显示了第一个双极晶体管实现的设计 。跨导和补偿电容很容易识别。

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图 5  有差分对的嵌套米勒

 

如果两个非主导极贡献了相位裕度,那么我们必须用另一个极来扩展相位裕度PM的表达式,如下图中给出所示。对应相位裕度分别为60°、65°和70°的曲线现在很容易计算。采用PM表达式的切线可以简化计算!让我们来关注相位裕度为60°的两个非主导极点 fnd之间的关系。很明显,如果我们有一个fnd相当接近GBW,另一个就会很远。它们也可以与GBW等距离,大约是GBW的3.5-4倍。

通常,一个fnd大约是GBW的3倍,另一个大约是5倍。我们显然更喜欢在输出时有5倍的GBW,因为更高的频率需要更高的电流。在输出处有更高的电流更有利,负载可以取出更多的电流。因此,对于 60° PM 的一个不错的选择是,中间极的 fnd/GBW 比率为 3,输出极的比率为 5

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图 6  fnd 之间的关系

 

如果我们选择差异很大的非主导极点,那么定位高频极点所需的电流可能会变得过大。为了说明这一点,在下图中绘制了两个非主导极点之间的关系,然后绘制了总电流消耗图。这表明,一旦我们选择了一个超过GBW的6-7倍的更高频率的极,总功耗就会增加。确实有一个最小值在 5×GBW 左右,要求另一个极点在 3×GBW 左右,正如上图中所建议的那样。然而,最小值并不是很明显。设计师在非主导极点的选择上仍然相对自由。

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图 7  fnd 和功耗之间的关系

 

现在设计规划本身就相当直观。对于两级放大器,我们已经选择了补偿电容的值,它被认为大约是比负载电容小2-3倍。对于这个三级放大器,我们也采用了类似的策略。选择两个相等的补偿电容,比负载电容小2-3倍。当然,它们可以区别对待。很明显,根据描述稳定性的方程式,我们可以得到相同的相位裕度。然而,目前还不清楚这将如何影响其他一些参数。选择了两个补偿电容后,我们只需求解三个变量gm1、gm2和gm3的三个方程

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图 8  三级运放的初始设计

 

例如,让我们用下图中给出的GBW和CL设计一个运放。补偿电容已设置为负载电容的一半或1pF。现在可以轻松计算 gm。 很明显,由于高频极点 fnd2 在输出端处,输出晶体管 M3 消耗了大部分电流。

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图 9  三级运放实例

 

为了进行比较,我们用相同的参数设计了一个单级、两级和三级的运算放大器。很明显,单级运放是低功耗的冠军。补偿电容的增加总是会导致过度的功耗。然而,单级运算放大器并不能提供很大的增益。增加的级联和增益提升减少了输出摆动。这是一个两级的米勒运放提供了相当大的优势。当需要AB级输出时,将使用三级放大器。此外,当电源电压低到没有共源共栅( cascodes ) 的余地时,我们可能不得不采用级联( cascades ) 。

级联放大器和共源共栅放大器之间的区别在于,在级联放大器中,晶体管串联连接。 而在共源共栅放大器中,晶体管并联连接。

在级联放大器中,晶体管像链一样排列,第一个晶体管的输出连接为第二个晶体管的输入。 在共源共栅放大器中,一个晶体管被放置在另一个之上。

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图 10  一,二和三级运放设计的比较

Posted in CMOS模拟集成电路

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