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多级运算放大器设计的比较

多级运算放大器设计的比较 ( Comparison)

由于已经讨论了许多不同的配置,它们需要用品质因数(Figure of Merit, FOM)进行比较。这样的品质因数通常包括一定的GBW和负载电容下的功耗。 然而有两种不同的品质因数形式, 其中一个考虑了以 mW为单位的实际功耗,而另一个只考虑了电流。其差异是所使用的电源电压。

这种比较仅基于实验结果。在这个版图中,可以区分出几个运放,其中有TCFC运放。它们都有相似的尺寸,它们的负载电容都为150pF, 0.35um CMOS 工艺。

比较结果列在图二的表中。

图 1  TCFC 和其它的三级运放

 

为此目的,几个三级运放分类排列,所有可能的品质因数都列在这里。不仅要在电流 (mA) 或功率 (mW) 消耗之间进行选择。 另一种选择是使用 GBW(小信号的质量因素)或对于大信号操作更重要的压摆率(Slew Rate),例如在开关电容器电路中。第一类器件不使用补偿电容。很明显,这条路不通

第二类是使用次数最多的一类。 它列出了所有的NMC的结构,本章已经讨论了其中的几个。品质因数FOMs都相当好,最好的一个是多路径运放 MNMC,然而它的压摆率并不太好,因为没有前馈级被用来将输出级转换为AB类级。 增加与补偿电容串联的零电阻并不会大大增加FOM。

只有在产生左平面零后才能实现真正的改进,以补偿主要的非主导极点,使用正反馈 (PFC) 或阻尼系数控制 (DFCFC) 时就是这种情况。 当使用交流升压放大器 (ACBC) 或附加跨导块时,情况更是如此,如有源反馈补偿 (AFC),尤其是跨导和电容补偿 (TCFC)。 结果是显而易见的

图 2  比较

 

这些放大器的瞬态响应与极零位置有关,但并不总是以一种直接的方式。下图中给出了相同GBW和负载电容下三个放大器的响应。它们还使用相同的三阶巴特沃斯频率响应和相同的补偿电容,因此正如前面所讨论的,NMC中的电流比其他两个的电流要大得多。

时间响应表明,NMC和PFC放大器表现了一些过冲,而TCFC放大器没有,这是极-零位置的微小差异的结果。

图 3  单位增益下的瞬态响应

 

最后小结一下,本章主要介绍了三级运算放大器,人们已经相当重视这种放大器的稳定性,除了三个极点外,至少生成两个零。接下将讨论传统的米勒补偿,然后是几个衍生结构。他们的主要缺点是第三级的功率消耗。

为了降低功耗,我们讨论了另外几种配置,它们都有4个极点和3个零点, 都利用了一个零抵消非主导极点的效应; 此外,它们都将一个左手平面零定位在靠近下一个非主导极点,这样就可以使功耗大大降低。在最佳的情况下(在TCFC放大器中),与传统的嵌套米勒补偿放大器相比,功耗最多可减少40倍。

Posted in CMOS模拟集成电路

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