带MILLER补偿的对称跨导运算放大器

带MILLER补偿的二级运算放大器

李闻界，10210720142

摘要

本文设计了一个带MILLER补偿的二级运算放大器，并且对其进行了优化。本文设计的运算放大器中嵌入了一个对称的电流镜像电路，它具有一定能的电流放大能力。本文优化的二级运算放大器增加了一个可以补偿右半平面零点的电阻R Z，将零点移到左半平面，使其有较大的相位裕度。在SMIC0.18um工艺库下，4pF负载电容，在电源电压1.8V状态下，设计的电路性能为：直流增益57.45dB，单位增益带宽123.2MHz，相位裕度61.5度，转换速率80V/us，功耗1.75mW，优化的电路性能为：直流增益为78.03dB，GBW=163.2MHz，相位裕度为：68deg，而功耗为1.31mW。

一、电路结构

图1.电路图二、设计指标

表1.设计目标

三、 电路分析：

此电路结构是带MILLER 补偿的二级运算放大器。I bias 为外加偏置电流源，

M9为尾电流源，为跨导晶体管提供直流偏置。M1、M2组成差分输入管，将

输入电压转换成输入电流。M3、M4、M5、M6组成电流镜，将M1、M2的电

流放大B 倍，M7、M8组成电流镜负载将双端信号转换成单端信号，此部分可

以认为是运放的第一级。M10、M11组成共源级放大电路，其中M10为跨导

管，M11为负载管。M12、M13和M14以及M9和M11组成电流镜来提供偏

置电流。C C 为MILLER 电容，用来分离主极点和非主极点，可以将原来存在

于右半平面的零点移到左半平面，从而稳定相位裕度。

1. 电路计算公式推导

忽略各个管子的寄生电容，可以得到小信号等效电路如图2所示。在此基础

上我们很容易地得到：

电路的开环增益为=-110101168(//)(//)m m o o o o A v B g g r r r r

主极点π≈

1101011681

2(//)(//)

m o o C o o f g r r C r r

次极点1022m L

g f C π≈

单位增益带宽为π=∙=

112m C

B g G B W A v f C

图2.小信号模型

下面分析转换速率SR ，在M2的输入端输入大的正向阶跃，M2截止，M9

的I 9电流完全流经M1 和M4，这个电路是静态工作电流的2倍，电流镜使得

M5也流经的电流为B 倍的I 1，然后电流通过M8对电容Cc 充电，在其两端产生

一个电压梯度，斜率为

∆∆V t

＝1int 2D C

I S R B

C =， 类似可以得到111

e 2R D D xt L

I B I S C -=

，

而最终的SR 为两者的最小值。

相位裕度ΦM 的大小由第二极点与单位增益带宽的比值决定，为了达到60

度的相位裕度在计算时首先取2f G B W

这个值为3。

2. 电路参数计算

负载电容C L =4pf ，首先设定补偿电容C C 为1pf 。μμ=272/p ox C A V ，

μμ=2

330/n ox C A V 。

1)

π=

=11002m C

B g G B W M H z

C ，C C 为1pf ，得到=10.6283m B g m S 。

2) 同时因μ==1int 2100/D C

I S R B

V s

C ，得μ=150

D B I A

现在设定B 为4，进而可以确定≈10.157m g m S ，μ=112.5D I A

3) 确定了M1的跨导和电流进而可以确定PMOS 晶体管M1

的尺寸，

=1m g ，

βμ⎛⎫

=≈

⎪⎝⎭2

11

1/p ox W C m A V L ，

⎛⎫⎛⎫

==≈ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭12

13.71411W W L L 。并且M1增大ΦM 将减小，A v 将增加。

4) 外部的转换速率111

e 2R D D xt L

I B I S C -=

，SR 为两者的最小值，同样设定外

部转换速率μ==e int R R 100/xt S S V s ，从而得到μ==1110500D D I I A 。

5) 为了满足一定的相位裕度，次极点设定为单位增益带宽的3倍，则

π≈

=1023002m L

g f M H z C ，得到=10112m m g B g =7.54

m S 。并有上面的μ=10500D I A

，从而⎛⎫

=≈

⎪

⎝⎭10

172.318011W L ，增大M10可以提高相位裕度，并且此时110z f G B W ≥。

6) 确定M3、M4的尺寸。已知βμ⎛⎫=≈

⎪

⎝⎭2

11

1/p ox W C m A V L ，=425TH N V m V ，=475TH P V m V

，可以得到=10.633G S V V ，假如==99633G S D S V V m V ，

由于电源电压为1.8V ，-≈30.1G S TH N V V V ，μ==1312.5D D I I A ，再由饱

和电流方程()μ⎛⎫

=

-

⎪⎝⎭

2

12

D ox G S TH

W I C V V L 可以得到M3 、M4 的尺寸，

⎛⎫⎛⎫==≈ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭347.6811W W L L 。⎛⎫⎛⎫⎛⎫

=== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭563

3241W W W L L L 。