高速运算放大器的设计

1、浙江大学电气工程学院硕士学位论文高速运算放大器的设计姓名：葛康康申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：何乐年20080510浙江大学硕上学位论文摘要近年来，随着集成电路（）芯片制造工艺的发展和电路结构的更新，对运算放大器提出了更高的要求。信息家电、手机、网络等新兴应用的兴起，又为运算放大器提供了活跃的舞台。高速运放有频带宽、建立时间快、失真和噪声小、输出电流大、直流特性好，能在低电源电压下工作等良好的性能特点使其广泛应用于模拟视频处理和传送以及通讯系统等领域中。本文设计的高速运放主要应用于基带低通滤波器和基带自动增益控制芯片中，信噪比要求高，而且基带频率变化范围从到，因此对运放的单位增益

2、带宽积和输出摆幅要求要高。该运算放大器基于公司的数模混合信号工艺进行设计。在电路结构上采用两级全差动结构，第一级提供一个高的增益，第二级提供一个大的输出摆幅。共模反馈采纳两级各用一个共模反馈电路的方案，得到了很好的共模稳定。频率补偿采纳了增加一个前馈放大级电路来产生一个左半平面零点，与第一个次极点相抵消的方案，达到了环路稳定的要求。测试结果表明，在单电源电压下，运放的直流增益为，单位增益带宽积达以及士的输出摆幅，输入共模范围为乏，共模抑制比和电源抑制比分别为和，满足了设计指标要求。本文第一章主要介绍了高速运放的应用背景、应用场合以及几种典型的结构；第二章介绍了高速运放的设计过程，包括结构分析（

3、输入级、输出级、共模反馈级、频率补偿级、偏置电路级、电流基准和电压基准）和参数设计（开环增益、摆率、噪声、增益带宽积等），其中主要介绍了共模反馈环路设计和频率补偿电路设计。第三章对高速运放的主要性能参数进行了仿真；第四章对高速运放芯片的主要性能指标进行了测试。关键词：运算放大器；高速；频率补偿；共模反馈；全差动，曲曲，曲，曲，叩一，士，（，）（，），：；一第章绪论应用背景运算放大器（简称运放）历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，成为许多模拟系统和混合系统中的一个完整的部分，并在信号测量、信号处理、信号产生和变换等各个领域中得到越来越广泛地应用。近年来，随着集成芯片制造工艺的发

4、展和电路结构的更新，对运算放大器提出了更高的要求。信息家电、手机、网络等新兴应用的兴起，又为运算放大器提供了活跃的舞台。因此，高性能运算放大器的设计成为模拟集成电路设计研究的热点之一【。根据不同的应用需求，运算放大器主要分化出通用型、低电压低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。一般而言，高速运放主要应用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压低功耗运放主要面向手机、等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等；通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。高速运放，泛指频宽高于的运放，而

5、现在为了与信号链后端组件（例如高速或处理器）的需求相匹配，运放的频宽记录已突破。其突出的性能特点是频带宽、建立时间快、失真和噪声小、输出电流大、直流特性好，能在低电源电压下工作【】：（）、快速建立时间对缓冲器和多路电子器件等快速变化或切换的模拟数据特别重要；（）、高转换速率与建立时间有关系，大信号带宽与转换速率紧密联系，对处理有失真的大幅度交流信号特别重要；（）、频带宽对处理的电平宽带交流信号和预放大器等应用非常重要【】。由此可见，高速运放良好的性能特点能使其广泛应用于模拟视频处理和传送以及通讯系统等领域中。意法半导体公司亚太区标准线性产品行销经理表示，由于蜂窝电话、数码相机、和多媒体应用的驱

6、动，视频放大器等高速运放将大幅增长。据预测，高速运放将逐渐侵占其他运放产品的市场占有率。以出货金额计，到年，高速运放将占整体市场规模的比重将达三成，而通用型运放则下降到两成以下。可见，未来高速运放可能跃升为主流运放产品。主要应用随着工艺的发展和电路结构的更新，使高性能高速运算放大器有了长足进步，极大地满足了低功耗、宽频带便携式和电池供电通信设备及其它高速模拟信号处理应用的需要。它在模拟视频处理和传送以及通讯系统中主要用作增益模块、电缆及线路驱动器、前置放大器、电流电压转换器等【】用作电缆及线路驱动器的高速运放【】，以高速运放在视频线路中的应用为例。高速电压反馈运算放大器非常适合用作视频信号的驱

7、动电路，如，其驱动电路图如图所示。约图视频线路驱动器在运算放大器的输出端串接一个电阻保证运放输出与传输线的匹配，传输端末端并入一个电阻保证负载之间匹配。在增益为时，微分增益误差为，相对增益误差为，适合用于高清晰度电视。在士电源，增益均匀性条件下，带宽可达到，转换速率为，建立时间为，总静态电流为。用作视频线路接收器的高速运放【，】。电缆接收器一般采用差分放大实现平衡一不平衡转换，图是用构成的简单视频线路接收器，其中与一一，与阻值应严格相等，因为电阻不对称会降低整个电路的，例如的阻值误差，为，而的误差会降至。补偿图视频线路接收器电容和也应对称，但由于寄生电容的影响，对称性需要作一定的调节，图中通过

8、调节来完成。值得提出的是，电路的增益和相位特性与电源电压有关，通常最佳特性要求电源电压在：以上。但电源电压高，功耗也大，所以需要权衡考虑。另外，电缆上有可能出现较大的共模干扰，有时需要在输入端加保护电路，防止由于输入电压过高损坏器件。用作差分线路驱动器的高速运放【】。通常有两种方法，一种是反相器和跟随器组合电路，如图所示；另一种是交叉耦合，如图所示。在图中采用，其中和分别提供和的增益。为减小失真，同相和反相跟随器应尽可能做到对称。除阻抗匹配外，还需使两路输出在带宽和相位上保持一致。自举电阻提高了同相跟随器的噪声增益，使其与反相跟随器噪声增益相同，也就保证了二者具有相同的带宽。为减小，通道相移不

9、同而造成的失真，可通过微调来实现。调节方法是在，输出端接一个加法器，调节使加法器输出接近零。图所示电路特点是宽频带（可达）和高。对电路，增益，但由于被反相跟随成，所以奸啪叭，故整个电路增益为。图反相器和跟随器构成的差分驱动器图交叉耦合差分驱动器这种交叉耦合跟随器有个优点。第一，差分增益仅由电阻比值（）决定，省去了两路放大器的匹配调节。第二，整个电路效仿，所以对反馈电阻的阻值要求不高（通常反馈电阻应选推荐值）。第三，通过接入电阻可以浙江大学硕士学位论文调整和输入级跨导，通常可以按（）选取。图中电容是为提高增益均匀性的补偿电容，电阻对不同的运放有着不同的最佳取值，可根据实际情况而定。用作高速光电二

10、极管前放【翔。带暗电流补偿的的光电二极管前放电路如图所示。在运放的选择问题上，首先应选输入的放大器，以减小输入偏置电流对光电流的旁路作用。其次，带宽要大，因为带宽由万坞（），式中为单位增益带宽，为输入电容，为光电二极管电容。可见，为提高，要有大的和小的，为此我们选，的运放。图光电二极管前放电路用作精密高速复合放大器，如图所示，它由和组成，结合了两者的优点。虽然精度高，但高频环路增益低，而不论在高增益或低增益下均具有优良的动态特性，但其直流精度不如。图与构成的精密复合高速放大器现有成果在传统高速运放的设计中，一般都使用双极型工艺。与电路相比，双极型电路具有速度高、电流驱动能力强和模拟精度高等优点

11、，但是，在高集成度和低功耗方面，双极型电路与电路无可比拟。此外，集成电路内模拟与数字电路的高兼容性及较低的制造成本、封装成本使得技术更具有吸引力【。实践证明，基于工艺设计的高速运放同样具有相当优越的性能。下面介绍几类现有的基于工艺设计的高速运放。单级套筒式共源共栅运放图套筒式共源共栅运放单级套筒式共源共栅结构如图所示【。在共源共栅中的极点是同输出极点合并的，因此不产生额外的极点。在单位增益频率内，只有输出极点一个极点，是单极点系统，不需要频率补偿，因此可以达到很高的单位增益带宽。使用工艺设计，仿真结果表明，在电源供电，负载电容条件下，该运放的增益达到了，的建立时间小于，输出摆幅为。基于增益提升

12、技术的折叠式共源共栅运放图主运放电路图应用于高速中的运放要求具有高的直流增益和高的单位增益带宽，该运放主体电路如图所示，。它用辅助放大器来提升直流开环增益。辅助放大器有两种类型：和，有一个差分输入对，有一个差分输入对。之间采用放大器，之间采用放大器，为了提供最大的输出摆幅。共模反馈电路由开关电容共模反馈和连续时间共模反馈混合组成。当运放处于保持状态时，开关电容共模反馈电路起作用；当运放处于采样状态时，连续时间共模反馈电路起作用。这样的混合结构同时具有了开关电容和连续时间反馈电路的优点，使得输出共模电平免受像温度、工艺等因素的影响。该放大器用数字工艺设计，在电源供电下，实现了直流增益和的单位增益

13、带宽，的建立时间小于，的功耗。浙江大学硕上学位论文套筒式共源共栅作为第一级的两级运放一图两级运放考虑到高增益和宽输出摆幅的要求，两级结构是一个很好的选择。第一级采用套筒式共源共栅结构，提供高的直流增益；第二级采用共源级结构，提供大的输出摆幅，具体电路如图所示【。补偿采用补偿，可以优化建立时间。该运放采用工艺，仿真结果表明，在电源供电，负载电容条件下，实现了直流增益和的单位增益带宽，功耗为，阶跃输入下，稳定时间（包括建立时间的摆率时间）为。采用新型“菱形晶体管结构高速运放图显示高速运放的具体实现电路【。它主要由一对“菱形晶体管（尬，和尬，）作输入级，、和尬、分别由、和、以源跟随器的形式提供偏置。

14、还有，四个简单的电流镜（尬、，、，、尬，尬、），偏置电流厶由与温度成正比的（盯）电流发生器产生，作为局部反馈控制运放的开环增益，在一般情况下可以忽略。这样的结构提供很大的使电容充电的电流。以晶体管为例，输入一个大的正阶跃信号时，厶瓤可以一直上升，直到尬的栅压达到叻一瑚时，。（圪。一）等（一，）一：）一一（）浙江大学硕士学位论文往往这个电流是级的，比起股础级的电流可见大了很多。而且，从电路结构中我们可以看到，该运放的转换速率主要取决于使电容充电的最大电流，即（）在是固定值的情况下只能通过调整孤的值来达到我们要求的转换速率。图运放主电路图因此，该运放在很大程度上提高了运放的转换速率。除此之外，还有

15、将差动输入转变为单端输出，减小了整个电路的输出电阻，并提供了额外的电压增益。而且，该电路结构简单且完全对称，使输入失调电压可以降到很低，没有多余的辅助电路和电压偏置电路等。实验结果显示，在正的阶跃信号输入的情况下，该运放的转换速率可达。应用负密勒电容的高速运放该运放电路结构如图所示】，应用带单端折叠式共源共栅拓扑结构的辅助增益提高放大器来提高的直流增益。输出共模稳定水平通过一个连续时间的共模反馈电路来实现（如图），同时保证最大限度的输出电压摆幅。该运放的缓冲器（如图），由两个级联的和源跟随器组成，源跟随器完成电平移动，使得电路的输出达到一个适当的电压水平，给源跟随器提供合适的偏置。该电路中所有

16、用到的偏置电压都由自一一浙江大学硕士学位论文给偏压电，图高速运算放大器电路结构孵笋，图（）共模反馈电路（）缓冲器路产生。该运放最大的特点在于它的补偿方式由连接在缓冲器输入输出端之间的密勒电容进行补偿。假设该运放去驱动一个电容和电阻凰并联的负载，有效电容从缓冲器的输入端、输出端来看分别等于：却（一么），删（一）（）在上式中，彳表示缓冲器的增益（）。注意到由于缓冲器的增益为正且总是小于，有效电容从运放的输出端看进来小于原负载电容，也就等效于利用负的密勒电容去减小有效负载电容。这种现象把一级非主极点（即在主极点之后的最靠近原点的极点）推向更高的频率，但主极点的位置仍维持不变（从一阶近似来看），从而得

17、到更高的带宽和更好的相位裕量。该运放在工艺上，具有的直流增益。在负载为电容和电阻并联的情况下，单位增益频率和相位裕量分别为、。运放的消耗功率为，单电源供电电压为。设计指标本文设计的高速运放主要应用于基带低通滤波器和基带自动增益控制芯片中，信噪比要求高，而且基带频率变化范围从到，因此对运放的单位增益带宽积和输出摆幅要求要高。潜在产品的工艺技术是用、工艺，而本文设计的高速运算放大器使用上华的工艺，器件的速度相对于工艺会低很多。因此，参数定义根据频率相应缩小。以下是本文设计的高速运算放大器的性能指标：运行温度：一；供电电压：；增益带宽积：；开环增益：；线性输出电压摆幅：摆率：；输入失调电压：；输入参

18、考噪声电压：（）二阶非线性失真（，）：；三阶非线性失真（，）；电源抑制比：；共模抑制比：；闭环输出电阻：（），（），典型输出负载：，；输入共模电压范围：；输出共模电压范围：；直流电流：一第章高速运放的设计过程高速运放的结构分析随着深亚微米工艺的发展，晶体管的沟道长度越来越小，管的本征速度越来越高。管的特征频率疗定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号电流增益下降为的频率【。它由式（）给出：石盖（一）气（）由上式可知，在工艺参数确定的情况下，减小沟道长度和增大可以用于提高疗。对于高速情形，应该使用最小沟道长度。但是，晶体管的本征增益却在减小，由下式可知，。匕，使得单级运放的增益更小。为了获得更高的

19、开环增益，可以采用共源共栅结构，或使用辅助增益提高电路结构等方法，但是，这两种结构会影响运放的输出摆幅，难以达到设计指标所要求的输出差分摆幅。所以，要达到高增益和大输出摆幅，两级结构是一个最佳的选择，第一级用来提供一个高的增益，第二级用来提供一个大的输出摆幅。因为负载电阻比较大，且负载电容比较小，所以不需要增加缓冲级电路。在两级运放中，每个增益级都会产生一个“主极点，且每一个极点都引起的相移，又由于单位增益频率附近处的高频零极点的影响，相位裕度有可能接近甚至小于零度，使负反馈转变成带有一点点增益的正反馈，得到的是一个振荡器而非放大器。所以，两级运放为了稳定，必须进行补偿。从运放的输出方式来看，

20、有单端输出的，也有差分输出的（输入一般都为差分输入），我们一般采用双端输出的方式。因为，与单端输出运放相比，全差分运放有较多优点，它具有不易受共模噪声的影响；避免了镜像极点，这个极点对高速运放的带宽和稳定性影响很大，所以差动运放的带宽可以做的更大，速度更高；并且具有更大的输出电压摆动；偶数阶非线性没有出现在平衡电路的差分输出中【。在全差分运算放大器中，需要两个相匹配的反馈网络和共模反馈电路去控制共模输出电压。这是因为，在高增益的差分放大器中，要求型电流源与型电流源相平衡是不能实现的【。如图所示，昂与氐的差值必定流过这个一图高增益放大器的简化模型放大器的本征输出阻抗，因而产生数值等于瓜）（风）的

21、输出电压的变化。由于电流的误差取决于失配，而且耶虱很大，这个电压误差可以很大，于是会驱动型或型电流源进入线性区。综合以上分析，我们可以基本确定本设计的高速运放的主体结构，它包括输入级、输出级、偏置电路级、共模反馈电路级、频率补偿电路级。整体结构如图所示。图高速运放整体结构图输入级电路分析输入级的目的是提供一个高的直流增益，因此，一般采用共源共栅结构。共源共栅有套筒式共源共栅和折叠式共源共栅两种结构，如图所示。噔寸。一卜朋卜叫¨一坼罐，朋曲图（）套筒示共源共栅（）折叠示共源共栅套筒式共源共栅运放的缺点是较小的输出摆幅和很难使输入与输出短路。折叠式共源共栅运放与套筒式结构相比，输出电压摆

22、幅较大些。这个优点是以较大的功耗、较低的电压增益、较低的极点频率和较高的噪声为代价得到的【。尽管如此，我们在本设计中选用折叠式结构。因为它的输入和输出可以短接，而且输入共模电平更容易选取。在图（）中，输入共模电平的范围是：峨。舻圪一圪斌，。（）虼缸，玩。呻分别为管，管和管的过驱动电压；为管的阈值电压；致为输出电压。在工艺中，的典型值是，但在各个和不同温度下，它的值变化很大，又由于二阶体效应的影响，它的值会增大，所以它肯定不能满足设计指标中最小输入共模电平为的要求。在图（）中，输入共模电平的范围是攻一。一一。，（）玩眠，分别为管和管的过驱动电压；，为管的阈值电压，典型值是，因为管做在阱中，可以忽

23、略体效应的影响。所以，它能满足输入共模范围的要求。针对输入级的选择问题，噪声是另一个重要的考虑因素。运算放大器的主要噪声源是随意进入和离开障碍物的载流子所引起的矿噪声。沟道晶体管的纩噪声比沟道晶体管的纩噪声要小，因为沟道晶体管的主要载流子（空穴）具有较小的陷入表面状态的电势。所以，用一个带有沟道输入的第一级最小化了由厂噪声引起的输出噪声。而且，若选用沟道输入，会使折叠点的极点更低，影响单位增益频率。对于一个给定的偏置电流，带有一个沟道输入对的电路级会最大化转换速率【】。从式（）可以看出，艘：孕：堡监；（）对第一级沟道输入晶体管有着比使用沟道输入晶体管的情况中大一些的（假设选择了相近的最大宽度来

24、最大化增益）。因此，当使用二级运算放大器时，在第一级使用沟道输入晶体管几乎总是最好的选择，因为它优化了转换速率、单位增益频率，并最小化了噪声。所以，在本设计中，我们选用一个沟道输入对的折叠式共源共栅结构作为输入级。输出级电路分析输出放大器的主要目的是有效地将信号提供给输出负载，需要一个大的输出摆幅。因为负载电阻比较大，所以不需要增加缓冲级。因此，采用一般的共源放大器结构。如图所示。输出电压的范围是：圪咄）（）魄和虼咄分别是管和的过驱动电压。所以，最大输出电压摆幅是（魄，魄，）。图共源级结构共模反馈电路分析在高增益放大器中，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差动反馈来达到稳定。

25、因此，必须增加共模反馈网络来检测二个输出端的共模电平，并有根据地调节放大器的一个偏差电流。共模反馈的任务分为三个步骤：检测输出共模电平；同一个参考电压比较；将误差送回放大器偏置网络【】，如图所示。图共模反馈的原理结构图共模电路必须满足以下要求【】：（）、使共模输出电平稳定在一个预先设定的直流值（）、共模环路的速度和精度最好能和差模环路接近；（）、共模负反馈与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的；（）、为确保共模负反馈的稳定，一般要进行共模环路补偿；实现共模反馈的具体电路形式有很多，主要可分为两大类：开关电容共模反馈和连续时间共模反馈。开关电容的结构一般如图所示，。畸圪触图开关电容共模反馈其中

26、和分别为运放输出电压，此共模反馈产生的调节电压，常等于需稳定的输出共模电平，勰为偏置电路产生的电容初始电压，为此产生的调节电压，西和晚为两相非交叠时钟，和为感应输出电压电容，和为用作电阻的开关电容。设及，则可用电荷重分配原理进行分析，当痧合上而鸥断开时，电路总电荷为：（一圪雒）（。）（一）。（一）当痧断开而晚合上时，电路总电荷为：（）（。一枷）（：。，）（一二）（乏）由电荷守恒原理：，可得：（）（半叱）叱（）浙江大学硕士学位论文可见控制调节电压圪删的表达式包括了三部分：对输出共模电压的感应（、与所给的参考电压的比较（圪）忽一、与初始电压圪叠加。因此，该开关电容完成了共模反馈的全部功能。但是，它

27、一般应用于开关电容电路，而且还需要引入两相非交叠时钟，这将大大提高成本，还容易引入时钟馈通效应产生毛刺。对于其他部分不需要多相时钟的全差分系统，还是选择连续时间的共模反馈更合适。因此本设计中的共模反馈采用连续时间的方案。共模反馈回路由共模输出提取电路和比较电路（一般为运放）组成。共模输出电压的提取，可以由电阻完成，也可以由管提取。用管提取共模电压有多种方法，但无论那种方法，由于管是非线性器件的原因，都有线性范围不够大的缺点【。即当差模的输出摆幅超出一定范围之后，提取出的共模电压不再是（），其中、是差模输出。由电阻提取共模输出电压，其优点是线性范围大，无论差模输出电压多少，提取出的共模电压总是（

28、）；然而，对于电阻阻值的选择需要折中。考虑到差模增益及输出的驱动能力，应该选择比较大的电阻。但是，阻值较大的电阻有占用面积大、引起各种寄生参数等问题。因此，在选择提取共模输出电压的电阻阻值时，应该进行折中。由于本设计的高速全差分运放，要求有轨对轨的输出摆幅，因此共模输出的提取采用电阻来完成。对于比较电路，有下列三种方案可供选择。（一）、两级放大器只用一个共模反馈环路，如图所示。其中，和分别是没有共模反馈时，第一级和第二级的共模增益。通过调整第一级放大器的偏置电流，来改变第一级的共模输出，从而改变第二级的共模输出，使第二级的共模输出锄稳定在。这个方案的缺点在于：共模环路有三级，难以稳定，带宽有限

29、；并且根据蒙特卡洛分析的结果，两级放大器只用一个共模反馈，比两级各用一个的效果差【。浙江大学硕士学位论文图两级放大器只用一个共模反馈（）、共模和差模融合在一起，以第一级为简单差分对电路为例，如图所示。这个方案的优点是一方面降低了功耗；另一方面保证共模放大器与差模本如事如：札。帆啊掣。舭。帆攀：几¨硪一几一广一！；，（）（广厂（几】乡粒。！广妇，。图共模和差模融合在一起放大器在交流特性上保持完全一致。因为共模放大器的输出级与差模放大器的输出级可以完全共用，电容补偿电路也完全一样。这种共模负反馈电路使得全差分运算放大器可以像单端输出的运算放大器一样设计，而不用考虑共模负反馈电路对全差分运

30、算放大器的影响。然而，这个方案的缺点在于：共模环路比浙江大学硕士学位论文差模环路多一个镜像极点，这个极点在管子尺寸比较大的高速运放中，会由于该处的寄生电容不容忽视，而频率不高，从而使共模反馈环路难以稳定。（三）、两级各用一个共模反馈，如图所示。其稳定共模输出的能力，比只用一个共模反馈的能力强，但是会增加电路复杂度，增大芯片面积，提高成本。为了降低电路的复杂度，第一级放大器采用自偏置的形式，如图（）所示，来抑制共模增益。但是这种电路形式会降低其差模增益，所以我们将图（）中电路转换成图（）的形式。巍铷图以自偏置形式定义共模电压（），传统电路（）改进电路第一级的共模电压的提取可以看作是由管完成的。因

31、为一般第一级的输出摆幅比较小，所以第一级可以采用这种方式来提取共模电压。但是，它的共模输出电压没有被很好的定义，会随共模输入电压、工艺、温度等变化而改变。因此，第二级的共模反馈应该清楚定义其共模输出电压。第二级的共模反馈采用如图所示的形式：根据共模输出电压来调整其偏置电流。放大器迫使共模输出电压等于，共源放大器的偏置电流由的输出控制。从图（）可以看出，这个共模反馈回路是由两级放大器组成，为使这个共模环路稳定，必须得加入频率补偿，图（）中的是共模通路的补偿电容，是差模的米勒补偿电容。差模下，虚地，是差模输出的负载；而在共模反馈环路，即和组成的环路中，圪舢虚地，是共模输出的负载。浙江大学硕士学位论

32、文图第二级共模反馈（）原理图；（）结构框图因此这个方案的一个缺点是，共模和差模的补偿电容，互为对方负载，互为影响对方的带宽和稳定性。这是在设计中需要折中的地方。本设计中采用方案三的共模反馈。将两级放大器级联起来，完整的电路图如图所示。第一级放大器采用折叠式共源共栅结构，第一级的共模输出调图完整的共模反馈电路图节下拉网络的偏置电流。第二级是简单共源级放大器，共模电压由电阻提取【。图中的，为得到的共模输出电压，电阻与的比值为：；是差模通路的补偿电容，而是共模通路的补偿电容。浙江大学硕士学位论文频率补偿电路分析两级运放至少有两个极点，而且一般都用在闭环结构中，所以出于稳定性考虑，必须对它进行补偿。下

33、面介绍一下三种常见的补偿方案。（一）、简单米勒补偿（），如图所示瞄，】。图简单米勒补偿的拓扑这是由在输出和第二级跨导级的输入之间跨接一个电容实现的。其小信号模型如图所示。图的小信号模型加了补偿电容将产生两个结果：第一，主极点将明显地移向复频面的原点；第二，由于负反馈降低了第二级的输出电阻，次极点将向远离复频面原点的地方移动。传递函数为：等币丽意粼燃姆涮一）尽（）（）吕娅墨姐墙【】“浙江大学硕上学位论文假设两个极点相距较远，可得：魏兰币丽，平面的零点为：兰一（）还有一个零点位于复频面的正实轴上，这是通过的前馈路径得到的。右半百所以，一般设置为的一半以达到一个好的相位裕度。汜）如果零点至少在以外，

34、为达到的相位裕量，第二极点必须至少在以外。为了达到的相位裕量，第二极点必须高于的倍。曲（）放大器不能通过增大踟来增大带宽，这是因为所需的随按比例增大。但可以通过增大输出跨导和减小负载电容来增大。相位裕度可以用下式来估算：肿跚一恤一一一一缸毋一一巨）（“）从上式可知，放大器的相位裕度十分依赖与和札的比值，这事实上显示了右半平面零点对相位裕度的影响。右半平面零点的存在是由从补偿电容流向输出的前馈小信号电流引起的。如果很大，小信号输出电流大于前馈电流，那么，右半平面零点将出现在很高的频率。因而，小的给出一个更好的相位裕度。（二）、用调零电阻的（），如图所示瞄】。图用调零电阻米勒补偿的拓扑右半平面的零

35、点有限制的倾向，且严重降低稳定性。右半平面零点的出现是因为电路中的前馈小信号电流，增加容性通路的阻抗（插入一个电阻和补偿电容串联）可以减小前馈小信号电流，消除右半平面的零点。它的小信号模型由图所示。图使用调零电阻的小信号模型传递函数为：以（）刚（恐）觜（）主极点、非主极点和零点分别为：，（），（）（）和（鲕）。当以时，完全消去。很多设计者选择比大的消零电阻，因为精确的恐很难达到，而且这样做可以产生一个增加相位裕度的左半平面零点。当恐增大时，极点的位置会随之变化而移向低频。如果如太大，极点分裂将失去作用。而且，在工作中由于输出电流变化，不是一个常数，所以用一个固定的恐不可能精确消去右半平面的零点

36、。在某些输出电流下，放大器可能不稳定。（三）、多级零点取消的，如图所示【。，图多路径消零法是消去右半平面零点的一种简单而有效的方法，它另一个优点是增加的电路不影响极点的位置。通过加入一个前馈跨导级，产生一个反相小信号电流来抵消高频时流过的前馈小信号电流。理论上，当时，两小信号电流完全抵消，零点被移至无穷远。它的小信号模型如图所示。图的小信号模型推导得出传递函数为：形，一札（素）（）由于两极点相距很远，因此，“（）阢：丝：一二一班氏（）仍见见一等系统有一个零点为：（）：一墨址（）（埘，广）当输出电流增加时，札随之增加，非主极点（）将移到更高频率而获得更大的。这种补偿拓扑能在静态电流到最大负载电流

37、范围内都能稳定放大器。在一些应用中，是常数，可以用大一些的产生一个左半平面零点来抵姚。定鲫踟且，零点表达式可写为刁踟（，一）。由设定见来决定的大小，因此他一。而大概为。，因为这相当于一个单极点系统。在这种情况下，不再取决于和，而是取决于和。显然，把减小到零就可以增大到无穷。然而，必须远大于（第一级输出寄生电容）来保证可以得出式（）的假设，所以，作为折衷，要求满足以下条件：，二名一（）由于用的的放大器可以通过增大鲫增强性能，因此小大。在本设计中，我们选用第三种补偿方案。其前馈跨导级如图所示。浙江大学硕士学位论文这种用零点去抵消极点的方法，不可能做到完全抵消，这就会产生一个零极点对。零极点对的频率

38、和它们之间的距离会对建立时间产生很大的影响【。运放的建立时间由两部分组成，第一部分主要由摆率决定，从初始值到稳态值附近，此时运放表现为非线性形式；第二部分主要由单位增益带宽决定，从稳态值附近到稳态值，此时运放表现为近似线性形式。在高速运算放大器中，第一部分时间很短，建立时间主要由第二部分决定。圪（）（一。一：专渺，偏置电路分析，其中：，吃一。是摆率时期，耽是零极点对中零点的频率，是零极点对中极点的频率，是单位增益频率。由式（）可知，我们只要把这个零极点对的频率移到单位增益带宽以外，就可以把它们的影响减到最小。偏置电路被用来提供偏置电压以确定运放的的静态工作点。为了使输入级的动态范围大一些，用宽

39、摆幅电流源来产生所需的偏置电压。图给出了一图宽摆幅的共源共栅电流镜宽摆幅的含义是电流镜的最小输出电压仅为（为过驱动电压），低于通常的共源共栅电流镜的最小输出电压。本设计中的偏置电路如图所示，用来产生折叠共源共栅级所需的三个偏置电压甄，另外为补偿电路的前馈级提供一个偏置电压，由基准电压产生。爿图宽摆幅电流源偏置电路电流基准和电压基准基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。电流基准为运放提供一个稳定（与电源电压、工艺和温度关系很小）的偏置电流。传统的电流基准如图所示，图传统电流基准由，得厶磁（）忽略体效应，因此乙碉川一一去）们还忽略了体效应的影响。本设计中的电流基准如图

40、所示，（）由上式可知，电流与电源电压无关（但仍旧是工艺和温度的函数），而且我图改进后的电流基准管做在阱中，可以消除体效应的影响。电阻飚用正温度系数的电阻和负温度系数的电阻相组合，这样就可以消除电阻对温度的影响。由于“简并偏置点的存在，电路可以稳定在两种不同的工作状态中的一种，所以需要增加一种电路来解决，该电路在电源上电时能驱使电路摆脱“简并一偏置点。、和电容组成一个启动电路，其工作过程如下：随着电源电压升高，点电压也开始慢慢升高，到一定时间后，管导通，点电压下降，管导通，电路开始产生基准电流，点电压慢慢升高，到一定时间后，管导通，点电压下降，管关闭，启动过程完成。共模反馈电路中需要一个基准电压

41、，且对这个电压的要求很高，这个电压一般由带隙基准产生，：宰所，有一个负的温度系数，所有一个正的温度系数（在常温下，芝一，粤￥），两者线性相加可以得到一个很低温度系数的电压。有很多结构可以产生这个基准，在本设计中采用如图所示的这种结构，放大器保证了点和点的电压相等。图电压基准结构图由图可得，。地（惫等）（“，是一个启动管，当电流源工作后，产生一个偏置电压圪鹊，让管导通，产生一个启动电流，使运放两输入端电压不为零，以保证运放在上电时能正常工作。因为流过的电流是固定不变的，很难满足和的电流要求，必须另加一路反馈电流（管）才能使电路正常工作。管用管而不用管的原因是，管的源极必须接电源电压，当电路启动时，电压快速上升，而放大器输出端电压保持不变，管的短时间内迅速增大，会产生瞬间大电流，将和烧坏。有很多误差源会对基准电压产生影响，和、和之间的不匹配，电压钳制电路，运放的失调电压等【。其中运放的失调电压对基准电压的影响最大，它