一种间接反馈补偿运算放大器的设计_尧明山.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|29科技前瞻一种间接反馈补偿运算放大器的设计尧明山，程博，王国丰江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州，341000摘要：针对传统密勒补偿运算放大器补偿电容大、带宽低等问题，提出了一种间接补偿运算放大器的设计方法。运算放大器采用中芯国际（SMIC）180nmCMOS工艺，设计出的间接反馈补偿放大器与密勒补偿放大器具有相似的仿真结果，但间接反馈补偿的补偿电容更小，优化了设计面积，消除了右半面零点的影响，且拥有更高的带宽。关键词：运算放大器；密勒补偿；间接反馈补偿；带宽中图分类号:TP342文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.007 0引言运算放大器是模拟集成电路的重要模块之一，其性能的优劣将对系统产生直接影响1。随着科技的发展，器件特征尺寸不断缩减，对电路版图面积缩减的要求越来越高。传统两级运算放大器多使用的是密勒补偿，通过极点分裂的方式，使得两级间的极点向原点移动，将输出极点向离开原点的方向移动。这样虽然可以对相位进行补偿，但代价是牺牲了两级运放的带宽。由于补偿电容会形成从第一级输出到第二级输出的前馈信号通路，在两级运放中会引入一个右半面零点（RHZ），在某些电路特别是一些CMOS运放中，由于MOS管的跨导较低，可能会导致右半面零点相对靠近原点，极大地影响相位裕度甚至导致运放不稳定。现今，很多方法可以克服密勒补偿所带来的右半面零点的缺陷，如有源密勒补偿2、零电阻密勒补偿3。这类补偿通过给补偿电容串联一个电阻，将右半面零点移到左半面，同时和第一个非主极点抵消。但其主要缺陷就是电阻会占用较大的芯片面积，而且在许多应用中由于输出级的电流变化很大，这样就导致很难通过一个确定的电阻固定零点的位置。针对上述问题，本文将探讨利用间接反馈补偿的优点，在spectre环境下，对间接反馈补偿和密勒补偿进行仿真比较，对频率响应进行了详细分析。1电路结构分析1.1偏置电路偏置电路是运算放大器工作的电压和电流的基准，是运算放大器的工作基础4。本文设计电路的偏置部分如图1所示。图 1偏置电路M12M14为启动电路，使得电路在启动时摆脱零简并点，镜像电流源M8和M9使得M10和电阻RB电流相等，都为IB，从而有：（1）（2）作者简介：尧明山，男，汉族，江西赣州，本科，研究方向：集成电路；程博，男，汉族，江西南昌，本科，研究方向：集成电路；王国丰，男，汉族，江西上饶，本科，研究方向：集成电路。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术30|（3）可知IB只与电阻RB和M10的尺寸有关，不受电源电压影响，且受温度影响小，可产生稳定的基准电流，提供给主体电路使用。1.2输入级和输出级输入级采用了一个共源共栅电流镜负载放大器，输出级为共源极放大器，如图2所示。输入级采用差分输入结构可以有效减小共模信号干扰，共源共栅电流镜负载可以提供一个较大的增益，输出采用共源极可以拥有更高的输出摆幅。图中Vbias是由偏置部分产生的基准电压。图 2输入和输出级第一级放大器的增益为：（4）式中，Gm1为输入级的等效跨导，Rout为等效输出阻抗，其中共源共栅负载输出阻抗为gm3ro3ro33，因此有Rout=ro2|gm3ro3ro33。因此第一级放大器增益为：（5）第二级共源极放大器的增益为：（6）二级运放总增益可表示为：（7）2频率补偿分析2.1密勒补偿密勒补偿是在第一级输出和运算放大器的输出之间添加补偿电容，如图3所示。图 3密勒补偿电路图对于密勒补偿结构的零极点有：（8）（9）（10）（11）未加补偿电容前，对于两级运放有3：（12）（13）补偿前后零极点变化如图4所示。图 4密勒补偿引起的极点分裂分析式（10）和（12）、（11）和（13）可知，主极点在向原点移动，第二极点在向离开原点的方向移动，这种方法称为“极点分裂”。虽然这样可以得到一个合适的相位裕度，但很明显这是通过牺牲带宽来换得的，且还引入了一个右半面零点Z1，这是一种不良效应，因为它降低了相位裕度，限制了两级运放的最大带宽5。特别 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|31科技前瞻是对于一些CMOS运放跨导较低的电路，这个零点会相对靠近原点，使系统变得不稳定。2.2间接反馈补偿间接反馈补偿是通过将反馈电流从输出级间接反馈至第一级（差分输入级）的内部高阻抗结点来实现的，如图5、图6所示。图 5间接反馈补偿示意图图 6间接反馈补偿电路图反馈电流可以通过共源共栅结构间接反馈至输入级的高阻抗结点，从而获得“极点分裂”和频率补偿。此外，通过避免补偿电容直接连接到差分输入级的输出，消除右半平面零点的影响6。间接反馈补偿除了具有消除右半面零点的优点外，还可以显著降低补偿电容面积。小信号示意图如图7。图 7间接反馈补偿小信号示意图利用图7所示的等效电路，对每个结点运用KCL，有：（14）（15）（16）（17）应用近似有：gmR1，C2CL；CC，C2C1，CA。则：（18）（19）（20）（21）（22）（23）最终解出的传递函数由一个左半面零点和3个左半面极点组成。其中零点位置为：（24）极点位置为：（25）（26）（27）分析式（29）和式（14）可知，间接补偿提高了放大器的第二个极点离第一个极点的距离，这意味着在不影响运放稳定性的前提下，用较低的补偿电容可以实现“极点分裂”，从而获得较高的单位增益带宽。从传递函数出发，在系统中引入了一个左半平面零点（LHZ），提高了系统的相位裕度。同时，补偿电容的减小也提高了运放的转换速率。从间接反馈补偿的概念应用来看，采用间接反馈补偿结构可以设计出速度更快、功率更低、版图布局更小的运算放大器。除使用共源共栅结构外，还可以通过串联的方式分裂输入管的L来创建反馈结点，如图8所示。图 8间接反馈补偿另一种实现方式dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术32|3仿真测试结果 3.1整体电路结构整体电路图如图9所示，其中电源电压为3.3V，ID5=41A，ID7=148A，负载电容CL为10pF，间接反馈补偿电容仅为0.29pF。在相同放大器结构和相同的偏置电流的情况下，我们还进行了密勒补偿结构的仿真，所需密勒补偿电容为2.85pF。图 9间接反馈补偿整体电路图3.2仿真测试结果本文的间接反馈补偿运算放大器采用的是中芯国际（SMIC）180nmCMOS工艺进行设计仿真。电源电压为3.3V，负载电容为10pF。间接反馈补偿和密勒补偿增益及相位裕度仿真结果如图10所示。图 10密勒补偿频率响应仿真结果显示，在相同的放大器结构和相同的功耗情况下，增益都为93.8dB、相位裕度都为60时，密勒补偿单位增益带宽只有6.04MHz，补偿电容CC为2.85pF，而采用间接反馈补偿的放大器结构，单位增益带宽达到了65.7MHz，补偿电容仅为0.29pF。当电源电压AC幅值为1时，测得100kHz处间接反馈补偿和密勒补偿100K处电源抑制比分别为99.5dB、84.6dB。将放大器接成单位增益结构，给输入端施加一个冲激响应信号，测得间接反馈补偿结构和密勒补偿结构压摆率分别为13.26V/s、10.79V/s。可知放大器的电源抑制比和压摆率性能，间接反馈补偿均优于密勒补偿，这是因为补偿电容减小所带来的优势，补偿电容的减小使得放大器的带宽有所提高，并且转换速率也增加了。如图11、图12所示。图 11电源抑制比仿真曲线图 12压摆率仿真曲线表1为本文设计的间接反馈补偿和密勒补偿的仿真结果比较，经对比可知，采用间接反馈频率补偿的放大器性能优于密勒补偿，其中最突出的参数是带宽，它是密勒补偿的10倍。由于间接反馈补偿的第二极点频率较高，单位增益带宽也比较高。除此之外，补偿电容远远小于密勒补偿的电容，使得版图面积更小。表 1间接反馈补偿与密勒补偿性能对比间接反馈补偿密勒补偿开环增益93.8 dB93.8 dB相位裕度6060静态功耗246.6 A246.6 A补偿电容0.29 pF2.85 pF单位增益带宽65.7 MHz6.04 MHz电源抑制比（100K）99.5 dB84.6 dB压摆率13.26 V/s10.79 V/s 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|33科技前瞻基于SMIC180nmCMOS工艺，采用CadenceVirtuoso软件进行了设计，该间接反馈补偿运算放大器的版图如图13所示。版图面积为（6868）m2。图 13间接反馈补偿运放版图4结论 本文设计了一种间接反馈补偿的运算放大器。偏置电路为与电源无关的偏置，输入级采用共源共栅负载结构，输出采用典型共源极结构，通过对密勒补偿和间接反馈补偿的仿真比较表明，在相同直流增益和相同的相位裕度情况下，该补偿方式相较于密勒补偿可以提高放大器的单位增益带宽，减小补偿电容尺寸，且引入了一个左半面零点，提高了系统的稳定性。通过本文的分析，这种间接反馈补偿是一种可行的放大器补偿方案。此外，该间接反馈补偿可以扩展到两级以上的运算放大器中，甚至不同的CMOS工艺，以探索它相对于常用补偿方式的优势。参考文献1 艾伦,冯军.CMOS模拟集成电路设计M.北京:电子工业出版社,2005.2 TanM,ZhouQ.Atwo-stageamplifierwithactivemillercompensationC/IEEE.IEEE,2011.3 CannizzaroSO,GrassoAD,PalumboG,etal.SingleMillercapacitorfrequencycompensationwithnullingresistorforthree-stageamplifiersJ.InternationalJournalofCircuitTheory&Applications,2008,36(7):825-837.4 李健,李现坤,孙峰,等.基于自偏置结构的参考电流源电路J.电子与封装,2017,17(10):31-35.5 Ahuja B K.An improved frequencycompensationtechniqueforCMOSoperationalamplifiersJ.IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2003,18(6):629-633.6 KumarV,ChenD.Designprocedureandperformancepotentialforoperationalamplifierusing indirect compensationC/IEEEInternationalMidwestSymposiumonCircuits&Systems,2009.（上接第28页）通过电气测试技术能够对变压器的状态做出有效评估，作为一种现代化的故障检测技术，相关工作人员应该了解电气试验的操作方法，做好质量管理，这对于预防变压器故障有重要意义。参考文献1 刘高永.电气试验在变压器故障分析中的应用J.集成电路应用,2022,39(04):284-285.2 余心悦.电气试验在变压器故障分析中的应用J.无线互联科技,2021,18(24):92-93.3 杨子腾,郑小立,成诚,等.基于故障树与电气试验的变压器可靠性分析J.科学技术创新,2021(32):43-45.4 刘佳佳,李春雨.浅析变压器油色谱与电气试验相结合综合诊断过热故障J.数字通信世界,2021(08):171-172.5 康金生.电气试验在变压器故障检测中的应用J.电子元器件与信息技术,2021,5(07):73-74.6 陆志航.电气试验在变压器故障分析中的运用J.电力设备管理,2021(04):65-66+99.7 董腾垚.电气试验在变压器故障检测中的应用探讨J.电子元器件与信息技术,2020,4(06):131-132.8 朱亚丽,鲁金定,张军.电气试验在变压器故障检测中的运用研究J.湖北农机化,2019(21):69.