单电容米勒补偿三级运放设计 - 鐢靛瓙鍣ㄤ欢鎶旷 绯荤粺

真结果表明 :该运放能够获得 113 dB 的增益 ,有着 87°的相位裕度 ,在 1. 8 V 电源电压和 120 p F 负债的情况下 ,整体功耗只有
0. 534 mW。由此可见 ,这种新型的补偿方式能够有效地对运放进行补偿 ,并且使运放获得较高的增益以及较大相位裕度 。
关键词 :模拟集成电路 ;单电容米勒补偿 ;交叉多径嵌套 ;频率补偿 ;低压运放
Cm1
在 NMC 电路中 ,当 gm3 很大时 ,我们可以忽略 两个右半平面零点 。但是当在低压工作时 ,这是不
图 2 交叉多径嵌套单米勒电容补偿三级运放
我们采用交叉多径嵌套单米勒电容补偿的方法
来设计运放 ,这种方法是将多径嵌套补偿和单电容补 偿结合起来 。既具备多径嵌套补偿能够补偿两个非
主要极点的特性 ,且只使用了一个电容 ,节约了版图 面积。采用该技术的运放结构如图 2 所示。两条前 馈通路分别接在输入端和第二级输出端以及第一级
X U J ie2hao , D A I Qi n g2y uan 3 , W A N G Ren
( Micro2N ano Research I nstit ute of Technolog y , S hang hai J i ao Ton g Uni versit y , S hang hai 200240 , Chi na)
[ 2 ] You F , Embabi S H K , Sanchez2Sinencio E. Multistage Am2 plifier Topologies wit h Nested Gm2Co mpensation[J ] . IEEE J . Solid2State Circuit s , 1997 ,32 : 2000.
输出端和第三级输出端 。这两条前馈通路必须满足
gmf1 = gm1 ; gmf2 = gm3 其传递函数可以表示为[7 ]
Av =
1+ s p - 3dB
A v0
1 + s Cm1 gm2
1 + s C2 ( CL + Cm1 ) + s2 C2 CL
Cm1 gm3
gm2 gm3
1 + s Cm1
Av
gm2 gm3
gm2 gm3
1 - s - s2
A vNMC ( s) ≈ A v0 1+
z 1 z1 z2 s + s2 + s3
f 1 f2 f3
其中 f 1
=
gm1 Cm1
,
f2
=
gm2 Cm2
,
f3
=
gm3 Cm3
, z1
=
gm3 Cm2
,
z2
=
gm2 Cm1
。( gmi
为运放第
i
级的等效跨导
图 3 交叉多径嵌套单米勒电容补偿电路图
我们将第一级 、第二级和第三级增益分别设定 在 60 dB ,20 dB ,30 dB 左右 。通过调节补偿电容的 值 ,找出最佳频率特性 ,在这个时候其补偿电容仅为 10 p F ,远小于其他补偿类型所需要的电容 。
在仿真时我们采用 TSMC 0. 18 μm 工艺库 。 仿真电源电压 1. 8 V ,补偿电容 10 p F ,负载电阻 20 Ω ,负债电容 120 p F 。图 4 表示了该电路的仿真结 果 ,给出了简单的幅频和相频曲线 。根据频率特性 , 可见此运放电路的直流增益达到 113 dB ,相位裕度 达到 87°,带宽增益积达到了 7. 16 M Hz 。且在 1. 8 V 电源电压下 ,其整体功耗仅为 0. 534 mW 。我们 还对变化负载进行了测试 。结果表明 :它能够有效 驱动从 10 p F 到 10μF 的电容负载 。
单电容米勒补偿三级运放设计
许洁皓 ,戴庆元 3 ,王 任
(上海交通大学微纳科学技术研究院 , 上海 200240)
摘 要 :为了满足低压电路的工作要求 ,我们设计了一种新型的三级运放 。该运放采用单电容米勒补偿与交叉多径嵌套补
偿结合的方法 ,利用前馈通路在左半平面形成的零点来补偿其在主通路中的极点 。通过使用 TSMC 0. 18 μm 工艺仿真 。仿
第 32 卷
可以忽略的 。必须采用其它方法将其消除 。
图 1 米勒电容补偿三级运放 (NMC)
一条前馈通路 ,从而引入了一个左半平面零点 ,利用 这个零点来补偿一个主要极点 。但是单米勒电容只 能补偿一个主要极点 ,还有两个非主要极点不能得 到有效地补偿 。
在单米勒电容补偿的基础上 ,本文提出了一种 新的补偿方法 ,将单米勒电容和交叉多径嵌套结构 结合在一起 。从而使得电路具有两条前馈通路 ,产 生另外两个零点 ,对主通路中的两个非主要极点进 行补偿 。相对于传统的补偿手段 ,该技术能够大大 提高运放带宽和相位裕度 。
一般而言 ,两极运放一般第一级采用共源共栅 结构以增大增益 ,第二级采用共源结构来获得最大 的输出摆幅 。在现有工艺下 ,两极运放的直流增益 一般不会超过 100 dB 。
在很多场合 ,我们需要高增益的运放 。因此 ,三 级运放设计显得尤为重要 。普通三级运放会在左板
平面产生三个位置几乎相同的极点 。对于三级运放 的补偿方法 , 国内外普遍采用的是米勒电容补偿 法[1] (NMC ,见图 1) ,这种结构需要两个补偿电容 。 但是由于运放负载的不确定性 ,其米勒电容往往要 求较大 ,占用了相当大的版图面积 。而且对于这种 补偿方式往往是以减小带宽为代价的 。
1 运放结构和补偿原理
对于传统的米勒电容补偿运放 ,如图 1 中的电 路所示 。其传递函数可以表示为[6]
A vNMC ( s)
=
gm1 gm2 gm3 R1 R2 RL (1 + sCm1 gm2 gm3 R1 R2 RL )
·
1 - s Cm2 - s2 Cm1 Cm2
gm3
gm2 gm3
1 + s Cm2 ( gm3 - gm2 ) + s2 CL Cm2
3 总结与展望
本论文提出了一种新型的三级运放补偿形式 。 这种方法将单电容补偿和交叉多径补偿的方式结合 在一起 ,分析了零极点的位置 ,最后给出了实际电路 和仿真结果 。从仿真结果可以看出 :这种新结构的 补偿方式具有很高的增益及相位裕度 ,并且拥有不 错的带宽 。它打破了传统补偿方式 ,使用单一电容 , 最大程度地节省了版图面积 。采用这一方法 ,我们 还可以对更高级数的运放进行有效的补偿 。
第
32 卷 第 2 2009 年 4 月
期
电子器件
Chinese J our nal Of Elect ron Devices
Vol . 32 No. 2 Ap r . 2009
A Three2Stage Amplif ier with Single2Miller Capacitor Compensation
中图分类号 :TN432
文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2009) 0220335203
随着亚微米技术的不断发展 ,集成电路的电压 也在不断地下降 。然而 ,对于运放的要求却在不断 地提高 。现在我们往往要求运放具有低电压 ,高增 益 ,高输出摆幅等特性 。传统的共源共栅型运放已 经不能满足低电压的要求 ,取而代之的是多级运放 。 这类运放具有直流增益高 ,输出摆幅大等优点 。但 是 ,对于多级运放 ,我们需要对其进行频率补偿 。
收稿日期 :2008209201 作者简介 :许洁皓(19832) ,男 ,上海人 ,上海交通大学硕士研究生 ,主要研究方向为数模混合集成电路设计 ,well_how @sjtu. edu. cn ;
戴庆元 (19512) ,男 ,上海人 ,高级工程师 ,主要研究方向为数模混合集成电路设计
336
电 子 器 件
2 电路实现和仿真结果
为了验证这种补偿的有效性 ,根据图 2 的结构 , 我们使用 TSMC 0. 18 μm 工艺对其进行了设计 。
第2期许洁皓 ,戴庆元等 :单容米勒补偿三级运放设计337
电路结构如图 3 所示 。在此电路中 , M1 ～ M9 为第 一级 , M16 为 第 二 级 , M18 为 第 三 级 。另 外 , M15 和 M20 为两条前馈通路 。
= Av0 1 + s Cm1
+ s2
C2 ( Cm1
gm2 + CL )
+ s3
C2 CL Cm1
gm1
gm1 gm3
gm1 gm2 gm3
Av
= A v0 1+
s
1 + s/ z + s2 +
s3
f 1 f1 f2 f1 f2 f3
其中 , A v0 = gm1 gm2 gm3 R1 R2 RL ,
,
Cm1
、Cm2
分别为
两个补偿电容 , CL 为输出负载电容 。)
在这里我们可以看到 , 系统一共拥有三个极点
和两个零点 ,其中 f 1
=
gm1 为主要极点 。为了使系
Cm1
统稳定 ,对于非主要极点 ,我们必须使 f 1
=
1 2
f2
=
1 4
f3
。这样整个运放的增益带宽积为
GWB
=
f1
=
gm1 , 相位裕度[ PM ] = 60°。
近几年 ,在米勒电容补偿的基础上逐渐发展形 成了多种补偿形式 ,如多径嵌套米勒补偿[2] ( MN2 MC) 、反向多径嵌套米勒补偿[3] ( N FRN MC) 、交叉 多径嵌套米勒补偿[425] ( CFMN MC) 。上述补偿方法 无一例外地需要使用两个补偿电容 ,为了节省芯片 面积 ,单米勒电容补偿方法被提出 。该技术取消了 跨接于第二级输出和第三级输出上的电容 ,增加了
Abstract :A t hree2stage amplifier wit h a new co mpensatio n met hod was designed so as to meet t he needs of low voltage circuit s. This new co mpensatio n met hod co mbines t he single Miller2capacitor co mpensatio n and t he cro ssed feedforward rever sed nested Miller co mpensatio n to get her , using t he zero s formed by t he feedforward pat h to co mpensate t he poles in t he main pat h. U sing TSMC 0. 18um CMOS technology , t he circuit has a DC gain abo ut 113 dB , a PM of 87 degree and t he power dissipatio n is just 0. 534 mW wit h a 120 p F capacitor load. The co mpensatio n is effective and t he op2amp has a great gain and a large PM. Key words :analog IC , single Miller2capacitor co mpensatio n ; cro ssed feedforward RNMC ; f requency co m2 pensatio n ; low voltage amplifier EEACC :2560 B;1220
p- 3dB
=
R1
R2
RL
1 Cm
gm2
gm3
。并且得到
:
f
1
=
gm1 Cm1
,
f2
=
gm3 Cm1 Cm1 CL
,
f3
=
gm2 ( Cm1 + CL ) Cm1 CL
,z
=
gm2 Cm1
。( gmi
为运放第
i
级的等效跨导 , Cm1 为补偿电容 , CL 为输出负债电
容 。)
这里我们可以发现 ,主要极点位置和 NMC 并 没有发生改变 ,但是两个非主要极点更加远离主要 极点 。并且注意到 ,原来的两个右半平面零点被去 除了 ,取而代之的是一个左半平面零点 zL HP = gm2 / Cm1 。我们增大前馈系数 gmf1 ,这使得零点向低频方 向移动 ,当其于非主要极点重合时可以达到很好的 补偿效果[829 ] 。
综合仿真结果 ,采用此结构的三级运放比在保 持较低功耗的前提下 ,较 NMC 结构运放多出近 40° 的相位裕度 ,且拥有较高的增益和较大的带宽 。
图 4 交叉多径嵌套单米勒电容补偿频率特性
参考文献 :
[ 1 ] Leung K N , Mo k P K T. Analysis of Multistage Amplifier Frequency Co mpensation [ J ] . IEEE Trans Circuit Syst I , 2001 ,48 : 1041.