一種兩級(jí)運(yùn)放中消除右半平面零點(diǎn)的新結(jié)構(gòu)_銀海

1、第36卷第3期2006年6月微電子學(xué)MicroelectronicsVol.36,3Jun.2006一種兩級(jí)運(yùn)放中消除右半平面零點(diǎn)的新結(jié)構(gòu)銀海,張波,劉強(qiáng)(電子科技大學(xué)IC設(shè)計(jì)中心,四川成都610054)摘要:提出了一種新的兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu),可以消除由密勒補(bǔ)償電容引起的右半平面零點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)采用多路徑零點(diǎn)取消(MZC)的理論,不同于傳統(tǒng)的方式,該結(jié)構(gòu)直接利用了第二級(jí)的負(fù)載管,來(lái)引入前饋通路取消右半平面零點(diǎn),簡(jiǎn)化了電路,降低了功耗。關(guān)鍵詞:兩級(jí)運(yùn)放;密勒補(bǔ)償;零點(diǎn)取消中圖分類(lèi)號(hào):TN432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-3365(2006)03-0356-02ANewStructureofTwo-S

2、tageAmplifierWithoutRHPZeroYINHai,ZHANGBo,LIUQiangAnewstructureoftwostageamplifierispresented,whicheliminatesRHPzeroscausedbyMillerAbstract:compensationcapacitance.Thestructureisbasedonthetheoryofmultipathzerocancellation(MZC).Incontrasttoconventionaltopology,thenewstructuredirectlyusesloadingtransi

3、storinthesecondstageoftheamplifiertocreatethefeedforwardmultipathtocanceltheRHPzero,soitsimplifiesthecircuitandreducesthepowerdissipation.Keywords:Twostageamplifer;Millercompensation;ZerocancellationEEACC:2570D幅減小等缺點(diǎn)。因此,另一種簡(jiǎn)單有效的方法:多路1引言兩級(jí)運(yùn)放的頻率補(bǔ)償方法中,最常見(jiàn)的就是密勒電容補(bǔ)償法。該方法通過(guò)在兩個(gè)增益級(jí)之間引入密勒補(bǔ)償電容,利用極點(diǎn)分離效應(yīng),提高相位裕度

4、。但是,密勒電容也會(huì)引入一個(gè)右半平面零點(diǎn)(RHPZero)。在某些電路,特別是一些CMOS運(yùn)放中,由于MOS管的跨導(dǎo)較低,可能會(huì)導(dǎo)致右半平面零點(diǎn)相對(duì)靠近原點(diǎn),極大地影響相位裕度,甚至導(dǎo)致運(yùn)放不穩(wěn)定。針對(duì)這一問(wèn)題,已提出了許多解決方法,最經(jīng)典的方法就是給補(bǔ)償電容串聯(lián)一個(gè)電阻1徑零點(diǎn)取消法(MultipathZeroCancellation,4MZC),也已被廣泛采用。采用MZC法,可以在改變零點(diǎn)位置時(shí)不影響極點(diǎn)位置,方便了設(shè)計(jì)。本文首先介紹了多路徑零點(diǎn)取消(MZC)的理論及傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式;接下來(lái),提出并分析了一種在兩級(jí)運(yùn)放中實(shí)現(xiàn)MZC的新結(jié)構(gòu);最后,給出了仿真驗(yàn)證結(jié)果以及與傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的比較?？?/p>

5、以看出,采用新結(jié)構(gòu)的運(yùn)放更為簡(jiǎn)單,功耗相應(yīng)也更小。2MZC理論及電路實(shí)現(xiàn)右半平面零點(diǎn)來(lái)自于由輸入到輸出流過(guò)密勒電容的小信號(hào)電流和運(yùn)放第二級(jí)gm的交互作用。如圖1所示,MZC法通過(guò)一個(gè)附加的前饋跨導(dǎo)級(jí)所產(chǎn)生的小信號(hào)電流,來(lái)取消高頻時(shí)輸入級(jí)產(chǎn)生的流過(guò)密勒電容的小信號(hào)電流,從而達(dá)到取消零點(diǎn)的目的。(1)式給出了圖1的小信號(hào)電壓傳遞函數(shù):。這種方法的主要缺點(diǎn)是電阻會(huì)占用不小的芯片面積,而且在許多應(yīng)用中,由于輸出級(jí)的電流變化很大,輸出級(jí)跨導(dǎo)的變化也會(huì)很大,這樣就很難通過(guò)一個(gè)確定的電阻固定零點(diǎn)的位置。此外,還可以通過(guò)源隨器等消除右半平面零點(diǎn)1,2。但這樣也會(huì)帶來(lái)輸出擺收稿日期:2005-09-14;定稿日

6、期:2005-11-30第3期銀海等:一種兩級(jí)運(yùn)放中消除右半平面零點(diǎn)的新結(jié)構(gòu)357mmf1m1gm1gmLRo1RL1+sm1mLAv(sCL(1+sCmgmLRo1RL1+sgmL采用MZC理論的兩級(jí)運(yùn)放(以下簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)C)。它(1)不同于結(jié)構(gòu)B,通過(guò)構(gòu)造一個(gè)新的輸入級(jí)來(lái)產(chǎn)生前饋小信號(hào)電流。這種新結(jié)構(gòu)直接利用運(yùn)放第二級(jí)的負(fù)載管來(lái)產(chǎn)生前饋跨導(dǎo)級(jí),MN4和MP4管不僅可以用來(lái)產(chǎn)生第二級(jí)的偏置電流,還可以用來(lái)產(chǎn)生前饋小信號(hào)電流。這樣,就簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),降低了功耗。適當(dāng)設(shè)置MN4和MP4的跨導(dǎo),由補(bǔ)償電容產(chǎn)生的右半平面零點(diǎn)就可被取消,或者產(chǎn)生一個(gè)左半平面零點(diǎn),來(lái)抵消第二主極點(diǎn),產(chǎn)生更大的相位裕度。圖1

7、采用MZC方法的密勒補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)放的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可見(jiàn),在gmf1=gm1時(shí),右半平面零點(diǎn)就可以被完全取消;而且,極點(diǎn)位置和傳統(tǒng)的密勒補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)放是相同的。且當(dāng)輸出電流增加,輸出級(jí)跨導(dǎo)也變大,將使第二極點(diǎn)更為遠(yuǎn)離原點(diǎn),進(jìn)一步增大相位裕度。在一些應(yīng)用中,還可以進(jìn)一步增大gmf1,使系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)左半平面零點(diǎn),可以用它取消第二主極點(diǎn),得到更大的相位裕度。圖2是采用MZC結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放電路,框中部分是典型的密勒補(bǔ)償兩級(jí)運(yùn)放(以下簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)A),框外的MP4、MP5、MN5、MN6及MN7構(gòu)成前饋跨導(dǎo)級(jí),和A一起構(gòu)成了比較常見(jiàn)的采用MZC理論的兩級(jí)運(yùn)放(以下簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)B);偏置與寬長(zhǎng)比分別與構(gòu)成運(yùn)放第一級(jí)的MP1、

8、MP2、MN1、MN2及MN3相同。這樣,就可以使gmf1=gm1相同,右半平面零點(diǎn)就可以被取消了。圖3新的采用MZC結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放4仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析在典型0.6m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝模型下,利用HSPICE對(duì)結(jié)構(gòu)C(圖3)進(jìn)行了仿真。圖4為系統(tǒng)的波特圖。圖4新結(jié)構(gòu)運(yùn)放頻率響應(yīng)波特圖圖2采用MZC結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放在2V電源電壓及10pF負(fù)載電容的情況下,將圖2和圖3中A、B、C三種結(jié)構(gòu)在相同條件下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果列于表1。表1三種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)照表右半平面零點(diǎn)位置/MHz1.92161453采用MZC理論的新結(jié)構(gòu)在圖2所示的MZC兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)中,為了引入前饋跨導(dǎo)級(jí),構(gòu)建了一個(gè)與運(yùn)放第一級(jí)完全相

9、同的差分對(duì)。這樣,使電路變得相對(duì)復(fù)雜,增加了芯片面積,也引起了更大的功耗。圖3所示是一種新的結(jié)構(gòu)ABC(下轉(zhuǎn)第362頁(yè))362何崢嶸:一種低功耗調(diào)頻發(fā)射電路2006年的頻譜,如圖9所示。態(tài)。具體措施是外圍諧振網(wǎng)絡(luò)采用可調(diào)的L、C元件,根據(jù)需要調(diào)節(jié),以得到盡可能大的輸出功率,并改善溫度穩(wěn)定性。5結(jié)束語(yǔ)調(diào)頻發(fā)射電路是無(wú)線通訊領(lǐng)域常用的模擬集成電路。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,在該領(lǐng)域產(chǎn)生了一些新的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。本文闡述的設(shè)計(jì)理念,就是把復(fù)雜的板上系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的片上系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)制作的電路就是一個(gè)成功實(shí)例,它把圖9輸出頻譜4.2樣品的不足該電路輸出頻率有偏移,根據(jù)外圍設(shè)置,輸出頻率應(yīng)始終為載波初

10、始頻率的倍頻(3、6、12倍),但實(shí)測(cè)輸出頻率偏移了1020kHz。這是由于可變電抗電路內(nèi)部電容值的設(shè)置偏差造成的。此外,該電路輸出功率隨溫度變化明顯,特別是低溫(-55)時(shí),輸出功率下降12dBm,這是由于作線性放大器的兩個(gè)輔助晶體管在高低溫下電流放大倍數(shù)降低而造成的。4.3改進(jìn)方案為改進(jìn)上述不足,采取了以下方案:1)增大可變電抗電路內(nèi)部電容的容值,以減小輸出頻率偏移。具體措施是設(shè)計(jì)上增大電容面積、工藝上增加電容介質(zhì)層。2)進(jìn)一步優(yōu)化外圍電路設(shè)置作溫度補(bǔ)償,同時(shí),合理調(diào)節(jié)外圍諧振選頻網(wǎng)絡(luò),始終保持諧振狀(上接第357頁(yè))由表1可以看出,提出的新結(jié)構(gòu)C能實(shí)現(xiàn)圖2所示的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)B的功能,使右半

11、平面零點(diǎn)遠(yuǎn)離原點(diǎn),提高了相位裕度;而且,由于新結(jié)構(gòu)C是直接利用第二級(jí)的負(fù)載管產(chǎn)生前饋小信號(hào)電流,因而簡(jiǎn)化了電路,降低了功耗。多個(gè)功能模塊(以前可能包含多塊電路和分立元件)集成到一塊芯片上,大大縮小了系統(tǒng)的體積、提高了電路的可靠性、降低了生產(chǎn)成本。無(wú)論是從模擬集成電路的產(chǎn)品開(kāi)發(fā),還是產(chǎn)品的應(yīng)用角度,都具有較為實(shí)用的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn):1復(fù)旦大學(xué)物理系.半導(dǎo)體線路M.上海:上海人民出版社,1972.2朱正涌.半導(dǎo)體集成電路M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.3JohnsDA,MartinK(著).模擬集成電路設(shè)計(jì)M.曾朝陽(yáng)(譯).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.作者簡(jiǎn)介:何崢嶸(1977-),男,

12、2001年畢業(yè)于四川大學(xué)自動(dòng)化系,現(xiàn)從事模擬集成電路研究和開(kāi)發(fā)工作,主要研究方向?yàn)榉糯笃?、乘法器。參考文獻(xiàn):1GrayPR.Analysisanddesignofanalogintegratedcir-cuitsM.4thEd.Beijing:HigherEducationPress,2003.2LeungKN,MokPKT.Analysisofmultistageam-plifier-frequencycompensationJ.IEEETransCircandSyst,2001,48(9):1041-1056.3LeeH,LeungKN,MokPKT.Adual-pathband-widthextensionamplifiertopologywithdual-looppar-allelcompensationJ.IEEEJSolStaCirc,2003,38(10):1739-1744.4EschauzierRGH,HuijsingJH.Frequencycompen-sationtechniquesforlow-poweroperationalamplifiersM.MA,Boston:Kluwer.1995.5結(jié)論提出了一種新的密勒補(bǔ)償?shù)?/p>