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单级运算跨导放大器的设计

单级运算跨导放大器的设计

在前一章中,我们了解了关于运算跨导放大器(OTA)稳定性的一切需要,以便能够通过MOST器件来实现它。现在我们要完善设计规划。到目前为止,我们已经任意地选择了补偿电容。问题是,我们如何才能为此得到改进呢?最后,我们现在只关注了一些参数,即GBW和相位裕度 (Phase Margin), 当然还有更多的参数。本章将详细阐述。

本节首先给出了单晶体管放大器的晶体管实现,然后是双晶体管米勒 (Miller) OTA. 讨论了详细的设计方案,以得到最低的功耗;并依特定的CMOS工艺估算了最大的GBW,结果表明很容易达到GHz量值,最后列出了所有其他的参数,并针对两级米勒OTA讨论了其中的一些参数.

始终使用相同的CMOS 米勒 OTA。所有相关数值都针对同一个放大器。因此,读者可以逐渐建立起相关适当参数数量级的概念。

首先讨论单级OTA的设计

在下图中给出了一个差分电压放大器。描述单级OTA的增益、带宽和GBW的表达式已经在前面讨论了。

GBW显然是可以预期的。注意,负载电容也包含一些由于晶体管所引起的寄生电容,它们被总括为Cn1,即节点1处的晶体管电容的和。然而,该电路还包含第二个节点,甚至是第三个节点。我们是否必须考虑到这些节点接地的电容量?事实上,相对地面的电容给出了一个极。因此,我们还有另外两个非主导极吗?答案是否定的。首先,在节点3处,当该级被差分驱动时,不存在交流信号。节点3没有计入。在节点2处,我们确实有一个非主导性的极点。然而,有两个原因说明为什么它可以被忽视。

图 1 单级运算跨导放大器的 GBW

 

在我们关注非主导极点之前,让我们找出从这样一个简单的放大器可以期望多少GBW。我们已经知道它是低功耗的,这对实际数字意味着什么?

对运放而言最简单的品质因数 (FOM) 是GBW、CL和功耗。稍后,还可以添加一些其他的参数,如噪音,摆幅等。除了功率消耗,电流消耗也可以考虑。为此,差分配置的草图画在下图中。有效负载电容现在只有单端输出电容量的一半。另一方面,也没有电流镜像来使输出电流翻倍。这个OTA是单级放大器的典型

我们发现,对于 10 mA 的总电流,1 pF 的负载电容仍然可以产生 10 MHz 的 GBW。 更容易记住的是,使用 1mA 时,1pF 负载电容可以实现 1MHz 的GBW。 这给出了 1000 MHzpF/mA 的 FOM,其实稍微少一些,就是800。然而当我们在下一章与其他 OTA 进行比较时,我们会看到这是一个很好的结果。

图 2 单级运算跨导放大器最大的 GBW

 

现在我们再次关注非主导极点。这种非主导极的位置很容易确定。节点2处的电阻仅为1/gm3。节点电容Cn2是连接到节点2的所有晶体管电容的和。对于大多数场效应管,电容CDB约等于其CGS。这就是为什么Cn2中的所有四个电容都是相等的。这是一个粗略的近似值,但足够可以很好地处理这个极点。电容Cn2约为4×CGS3

非主导极fnd约为fT3/4。这是节点2对我们的影响不太大的第一个原因。与GBW相比,这种非主导极所处的频率只是太高了。第二个原因是在图4上展示

图 3 单级运算跨导放大器的fnd

 

节点2上的电容Cn2确实产生了一个极点,但也产生了一个零。事实上,在具有单个输出的差分放大器另一边的接地电容,在频率为2×fnd时产生一个极fnd和一个零。在较高的频率下,输出电流除以2,因为电流镜像不再接收到更多的电流。除以2只能用一个极-零对来表示,其零是比极高出2倍的因子

这解释了省略了所有其他电容的电压放大器。这个零的优点是它极大地补偿了极的相移。最终的结果是相移的变化很小。因此,这一极-零对对的相位裕度的影响可以忽略不计。结果,可以忽略节点2处的电容Cn2。我们现在已经找到了两个原因。

图 4 简单运算跨导放大器的fnd

 

作为一个设计示例,我们采用所示的GBW和CL的值。

只要适当选择合适的VGS−VT(为0.2V),gm很容易计算出来,电流也很容易计算出来。通过K’ 系数,我们可以计算出所需的W/L值。

现在,必须要选择L,为了获得一些增益,我们需要其大约是最小沟道长度的3倍或1微米。然后就可以很容易地算出宽度。nMOS的宽度较小,因为它的K’较大。

我们可以尝试验证节点2上的极点是否确实可以忽略不计。为此,我们必须找到FT,或者更确切地说,必须找到输入电容CGS2。如果使用最小沟道长度,MOST具有CGS=kW,且k=2fF/um。

对于 L=0.35 um,W/L=100 的场效应管其 W=35 um,因此 CGS 为 70 fF。 现在 L 和 W 都大了三倍。 CGS2 为 70×3×3=630 fF。 其 fT2 约为 300 MHz 和 fT2/4 ≈ 76 MHz,幸运的是,这个极点后面跟着零

如果我们确实不希望这个极-零对低于GBW,我们必须使晶体管更小,恶化增益。另一种可能性是使晶体管更小,并增加级联来增加增益!

图 5  单级运算跨导放大器的设计案例

 

Posted in CMOS模拟集成电路

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