CMOS两级运算放大器调零电路性能分析1

当 ＣＣ 增加 ５％，相位裕度增加了３．４％。 图８是相位裕度随调零电阻变化的特性 曲线， 图中可以看出， 调零电阻在小于 ７．５ Ω时， 相位裕度非线性增加， 当大 于７．５ｋΩ时， 相位裕度非线性减小。 根 据公式（１ ０ ）也可以看出，当 Ｒ ＝ １ ／ ２ｇｍ６＝７．５ｋ Ω时， 电路有最大的相位裕 度。 根据公式 （６） 和公式 （７） 可以得 出 ：
图 １ 基本二级 ＣＭＯＳ 运放结构 图 ３ 基本二级 ＣＭＯＳ 放大器电路摆率测试仿真结果
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容 Ｃｃ 的引入， 增加了零点， 限制了ＧＢ， 如果零点不存在，则可以进一步扩展 ＧＢ 的值。可以通过一种调零电阻的方
（５） 由于 ， 电路的ＧＢ 值和相位
裕度Ф Ｍ 公式变为：
（１）式中 ； （ｇ ｍ 为 ＭＯＳ 管 的跨导）
增益带宽为 ７．１７ＭＨｚ，功耗 ８６５Ｗ。图 ３ 中虚线为相频特性曲线， 图中可得在 ０ｄＢ的频率点处的相位是１３０ ｏ， 有６０ｏ的 相位裕度。 根据公式（２）可以看出，密勒电
（ ６ ） 为了抵消二级极点有 ：
下通过抵消二级极点扩展单位增益带 宽。调零电阻偏差分析对实现运算放 大器频率特性具有十分重要的意义， 通过讨论，本文提出了对调零电阻偏 差影响的分析方法。
二级运算放大器调零电路结构设 计技术
基本二级ＣＭＯＳ 运放结构如图１ 所 示，图 １ 中的 Ｍ１ 和 Ｍ２ 管决定了运放
图 ２ 基本二级 ＣＭＯＳ 运放小信号等效电路
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图 ７ 相位裕度随Ｃｃ变化的特性曲线
图 ８ 相位裕度随调零电阻Ｒ 变化的特性曲线
图 ９ 单位增益带宽随 ＣＣ 变化的特性曲线
图 １０ 单位增益带宽随调零电阻Ｒ 变化的特性曲线
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极点如公式（５） 。
公式（４） 中的 和公式 （１） 中的相同。 一级零点ｚ１，一 级极点 ｐ１， 二级极点ｐ２， 四级极点ｐ４ 如 公式（５） ，
根据电路的小信号等效电路 （图 ２） 可 以列出电路的传输函数 （公式 （１） ） ， 零 极点 （公式 （２） ） 。 电路的ＧＢ 值和相位 裕度Φ Ｍ 公式如公式（３） 。
消息的传送乃至实时视频发送。 显示单元的多样化。可以使用可 触摸液晶显示屏、 无线ＬＥＤ动态显示模 块等多功能显示设备来实现更多的互 动。 调度中心调度功能的自动化。通 过开发相关调度软件，可以根据实时 路况，车辆运行情况等信息来自动调 度公交运行，有效提高公交效率。 ■ 参考文献 １．袁绍松， ‘智能公交在梦想与现 实之间，’ 中国交通信息产业，２００５（８）．
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据图 １０ 当 Ｒ 增加 ７．７％，ＧＢ 增加 ３．２％。
参考文献 ：
上接 ７１ 的基于 ＧＳＭ 短消息系统的 智能公交指示系统，通过上面的介绍 可以看到该指示系统具有结构简单， 实用性强的特点，非常适合应用于现 代智能公交。只是由于本次设计受到 时间和器件的局限，所以作者在本次 设计中只是完成了一个简单的智能公 交所采用的一些电路原理，而要更深 入的研究智能公交，我们可以对多方 面进行改进。 短消息发送内容的多样化。这里 的短消息以文字为主，为了适应信息 多样化的特点，今后应该开发多媒体
（１３）
（１４） 仿真结果如图９和图１０所示。 根据 公式（６）ＧＢ 是 ＣＣ 的反比例函数， ＧＢ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ 随 ＣＣ 的变化率为 ，图 ９ 的左图验
稳定性。根据计算公式以及实验仿真 结果可以看出，随着 Ｒ 的增大，ＧＢ 值 增大， 但是相位裕度会非线性减小， 在 保证相位裕度大于６０ 的条件下，Ｒ 的
表 １ 二级运算放大器电路 ＭＯＳ 管宽长比
表２ 四级比较
法来抵消零点的影响，电路的小信号 等效图如图４所示， 新的电路结构如图 ５ 所示。 图 ５ 中的调零电阻Ｒ 的引入使 得电路的传输函数如公式 （４） ， 新的零
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的单位增益带宽（ＧＢ） ，Ｍ３ 和 Ｍ４ 决定 了运放的最大共模输入电压，Ｍ５ 管决 定了运放的最小输入共模电压，Ｍ６ 和 Ｍ７ 管则决定了运放的最大和最小输出 电压。 密勒电容Ｃｃ 为了使运放有较好 的相位裕度， 防止电路自激。 Ｃｃ和偏置 电流决定了运放的摆率（即 ） 。 Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ
调零电路容差分析
由于工艺的限制，电阻值很难精 确到 ６７８８．５Ω。 密勒电容Ｃｃ也存在同 样的问题，所以本文将较为详细地研 究电容和电阻的容差分析，根据公式 （８） （６）得， 要保证好的稳定性， 即有６０ｏ 的相 位裕量，根据公式 （６）则需有：
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ＢＳＩＭ３Ｖ３ 模型 ＡＡ１８３３Ｃ０５ 工艺下对图 ５中调零电阻Ｒ和密勒电容Ｃｃ的偏差引 起的相频特性曲线变化进行仿真测试， 仿真结果如图７ 和图 ８ 所示。 根据公式 （１１） 得出， 相位裕度随着ＣＣ 的增大非 线性增大（如图７ 左图） ，当 ＣＣ 变化较 小时，相位裕度近似的是 ＣＣ 的一次正 比函数 （如图７ 右图） ， 根据图７ 得出
２． 郑丽丽、 宋瑞， ‘发展智能公交 调度系统的问题与方案探讨，’ 交通科 技，２００４（１）：５０－５２ ． ３． 李华， ‘ＭＣＳ－５１系列单片机适用技 术接口，’ 北京航空航天大学出版社，１９９３． ４． 李杰、 吴学英， ‘用单片机控制 ＧＳＭ模块的一种方法，’ 电子世界，２００４ （１１） ． ５． ‘Ｓｉｅｍｅｎｓ．ＴＣ３５／ＴＣ３７Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ，’Ｖｅｒｓｉｏｎ ０３．１０２１．１２．２００１． ６ ‘ＡＴ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｖｅｒｓｉｏｎ ： ８．５．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１ ，２０００．’
（７）
图 ４ 加有调零电阻的二级ＣＭＯＳ 运放的小信号等效图
图 ５ 加有调零电阻的二级 ＣＭＯＳ 运放结构 图６ 电路结构交流仿真结果
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Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ 摘 要： 本文以基本的二级 ＣＭＯＳ 运算放大器为基础，主要从结构改进方面入手，讨论了如何提高 ＣＭＯＳ 运算放大器速度 性能并且对电路的容差进行了较为详细的分析。近年来随着 ＣＭＯＳ 工艺的发展，ＣＭＯＳ 运放已经能够实现高增益、 高速度、低噪声等高性能要求。本文通过 ＨＳＰＩＣＥ 和 Ｃａｎｄｅｎｃｅ 工具在 ＢＳＩＭ３Ｖ３ 模型 ＡＡ１８３３Ｃ０５ 工艺环境下的电 路仿真分析了 ＣＭＯＳ 两级运算放大器调零电路性能。 关键词： ＣＭＯＳ 运算放大器 调零电路
引 言
运算放大器的高速性能主要靠两 个重要的参数来衡量，即大信号响应 时间和小信号响应时间。大信号响应 时间由摆率决定，小信号响应则由建 立时间或单位增益带宽来决定。提高 运放速度的方法有多种多样，折叠式 运算放大器有功耗较大，折叠点处寄 生电容高等缺点；采用套筒式运放结 构， 如果采用二阶结构， 则会造成较大
的功耗，采用一阶结构则会限制差分 输出摆幅；反馈结构放大器也存在问 题， 一是匹配问题不易实现， 二是电路 的输出跨导受输出信号的影响较大。 本文介绍的典型基本二级运算放 大器具有结构简单、在密勒电容的调 节下工作稳定、有较大的开环增益等 特点， 但是其单位增益带宽较小， 所以 通过对基本二级 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 运放结构增加 调零电阻，在不改变其他参数的情况
一级零点ｚ１， 一级极点ｐ１， 二级极 点 ｐ２ 如公式 （２） ， （２）式中 （３） 假设图 １ 电路的中 Ｉ Ｄ ＝ ３ ０ Ａ ， ＶＤＤ＝２．５Ｖ，ＶＳＳ＝－２．５Ｖ， ＭＯＳ 管的宽长 比采用表１ 的值。 用 ＨＳＰＩＣＥ 软件在 ＢＳＩＭ３Ｖ３ 模型 ＡＡ１８３３Ｃ０５ 工艺下对图 １ 电路进行仿 真测试， 仿真结果如图３ 所示， 其单位 （２）
ｏ
变化范围在 １５％ 之内。密勒电容Ｃｃ 增 加 ５％ ，ＧＢ 减小了 １ ５ ％， 相位裕度增加了 ３．４％。较小的相 位裕度增量要牺牲较大的单位增益带 宽，在应用中要根据实际要求寻求一 个平衡点。■
证了公式 （１３） ， 右图说明ＣＣ 在小的变 化范围内ＧＢ近似的是ＣＣ 的一次反比函 数。当 ＣＣ 增加了 ５％，ＧＢ 减小了 １５％。 根据公式（１２）得出 ＧＢ 是 Ｒ 的一次正 比函数。 ＧＢ 随 Ｒ 的变化率为 。 根
（１２）
结语
通过增加调零电阻可以扩展基本 二级 ＣＭＯＳ 电路的单位增益带宽， 而且 通过调整密勒电容的值还能保证电路 有相同的相位裕量，从而保证电路的
１．Ｐｈｉｌｌｉｐ Ｅ． Ａｌｌｅｎ ａｎｄ Ｄｏｕｇｌａｓ Ｒ． Ｈｏｌｂｅｒｇ， ＣＭＯＳ Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ， Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ， ２００２， Ｐａｇｅ（ｓ）：１９８－３０３． ２． Ｓｕｎ Ｒ， Ｐｅｎｇ Ｌ， Ａ ｇａｉｎ－ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ ｆｕｌｌ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＣＭＯＳ Ｏｐ ａｍｐ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｕｎｉｔｙ－ｇａｉｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ［Ａ］． ＩＥＥＥ． Ｉｎｔ Ｓｙｍｐ Ｃｉｒｃ ａｎｄ Ｓｙｓｔ［ｃ］． ２００２， ４２８－４３１． ３．陈朝阳， 胡小波， 付生猛， 一种 采用增益增强方法的 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 全差分运 算放大器． 微电子学， ２００５ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．６， ８３－８４． ４．Ｄ．Ｙ． Ｋｉｍ ， Ｓ． Ｋｗｏｎ ， Ｊ． Ｈ． Ｂａｎｇ， Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｕｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ． ＩＥＥＥ． Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ， １９９２．， ｖｏｌ．１ ４８５ ４８８．
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北京交通大学 电子信息工程学院 姚雷波 骆丽
ＣＭＯＳ 两级运算放大器调零电路性能分析
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ Ｚｅｒｏｓ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ Ｔｗｏ－Ｓｔａｇｅ ＣＭＯＳ Ｏｐ ｍｐ
联立两个公式 （７） 和 （８） 得Ｃｃ和 Ｒ。 在设计时三级极点 （ ） 远大于四 （９） 又根据公式（７）得 代入公式（９）得， ， 级极点，最后使得单位增益带宽主要 由 ｐ４ 来决定。 假设相位裕度为 ６０ ｏ ， 通过对图１的仿真结果数据和公式 （６） 、 （７） 得Ｃｃ＝１．６５ｐＦ ， Ｒ＝６７８８．５Ω。 对图 ５的电路进行仿真， 仿真结果如图６， 从 图中可得电路的单位增益带宽扩展为 １３．４ＭＨｚ， 而且相位裕量为６０．５ｏ。 图５ 电路结构零极点如表２所示。 从表中可 以看出电路的二级极点等于一级零点， 可以相互抵消。 （１１） 在 Ｃａｎｄｅｎｃｅ 环境下，仍然采用 （１０）