帶MILLER補(bǔ)償?shù)膶?duì)稱OTA

1、帶MILLER補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)算放大器摘要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)帶MILLER補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)算放大器，并且對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器中嵌入了一個(gè)對(duì)稱的電流鏡像電路，它具有一定能的電流放大能力。本文優(yōu)化的二級(jí)運(yùn)算放大器增加了一個(gè)可以補(bǔ)償右半平面零點(diǎn)的電阻Rz，將零點(diǎn)移到左半平面，使其有較大的相位裕度。在SMIC0.18um工藝庫(kù)下， 4pF負(fù)載電容，在電源電壓1.8V狀態(tài)下，設(shè)計(jì)的電路性能為：直流增益57.45dB， 單位增益帶寬123.2MHz，相位裕度61.5度，轉(zhuǎn)換速率80V/us，功耗1.75mW，優(yōu)化的電路性能為：直流增益為 78.03dB，GBW=163.2MHz，相位裕度為：68deg

2、，而功耗為 1.31mW。電路結(jié)構(gòu)圖1.電路圖設(shè)計(jì)指標(biāo)GBW100MHz開(kāi)環(huán)增益> 50dB相位裕度60°負(fù)載電容CL4pFSlew Rate100V/us工藝SMIC 0.18um電源電壓1.8V功耗2mW表1.設(shè)計(jì)目標(biāo)三、電路分析:此電路結(jié)構(gòu)是帶MILLER補(bǔ)償?shù)亩?jí)運(yùn)算放大器。bias為外加偏置電流源， M9為尾電流源，為跨導(dǎo)晶體管提供直流偏置。M1、M2組成差分輸入管，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸入電流。M3、M4、M5、M6組成電流鏡，將M1、M2的電 流放大B倍，M7、M8組成電流鏡負(fù)載將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，此部分可以認(rèn)為是運(yùn)放的第一級(jí)。M10、M11組成共源級(jí)放大電路，

3、其中 M10為跨導(dǎo) 管，M11為負(fù)載管。M12、M13和M14以及M9和M11組成電流鏡來(lái)提供偏 置電流。Cc為MILLER電容，用來(lái)分離主極點(diǎn)和非主極點(diǎn)，可以將原來(lái)存在 于右半平面的零點(diǎn)移到左半平面，從而穩(wěn)定相位裕度。1.電路計(jì)算公式推導(dǎo)忽略各個(gè)管子的寄生電容，可以得到小信號(hào)等效電路如圖2所示。在此基礎(chǔ) 上我們很容易地得到：電路的開(kāi)環(huán)增益為 Av-Bg migmio（r°io/"。/（気/r°8）主極點(diǎn)f1 :次極點(diǎn)f2gm10單位增益帶寬為GBW = Av弟2 TrCcCcIIV outVinV in ?J mi(EliBIi1?Jm10rds6 ；：rds8

4、VlrdsiordsiiCl圖2.小信號(hào)模型下面分析轉(zhuǎn)換速率SR在M2的輸入端輸入大的正向階躍，M2截止，M9 的I9電流完全流經(jīng)M1和M4，這個(gè)電路是靜態(tài)工作電流的2倍，電流鏡使得 M5也流經(jīng)的電流為B倍的li,然后電流通過(guò)M8對(duì)電容Cc充電，在其兩端產(chǎn)生 一個(gè)電壓梯度，斜率為 衛(wèi) 二SRint二，類似可以得到SRext =加 2B22tCcCl而最終的SR為兩者的最小值。度的相位裕度在計(jì)算時(shí)首先取GBW相位裕度M：.：的大小由第二極點(diǎn)與單位增益帶寬的比值決定 ，為了達(dá)到60一這個(gè)值為3。2.電路參數(shù)計(jì)算負(fù)載電容 CL=4pf，首先設(shè)定補(bǔ)償電容Cc為1pf。丿pQx =72A/V2 ,2in

5、C°x =330A/V 。1)GBWBg1 =100 MHz , Cc 為 1pf，得到 Bgm 0.6283 mS2 二 Cc212) 同時(shí)因 SRjnt -B -100V 八g，得 BID1 =50CC現(xiàn)在設(shè)定B為4,進(jìn)而可以確定gm1 ".157 mS , d =12.5 AA3）確定了 M1的跨導(dǎo)和電流進(jìn)而可以確定 PMOS晶體管M1的尺寸,：1 = "pCox2:1mA /VW = W =耳7 十。并且M1增大M：.：將減小，Av將增加.L 1 . L 2 1 14)外部的轉(zhuǎn)換速率S RextI 2BID11 D1，SR為兩者的最小值,D11 Cl同樣設(shè)

6、定外5)部轉(zhuǎn)換速率SRext二SRint為了滿足一定的相位裕度,=100 V / .Ls，從而得到咕11 =怙10次極點(diǎn)設(shè)定為單位增益帶寬的3倍，則Id10 =500 M ,從而 ¥I L 丿102 : -gm =300 MHz ,得到 gm10=12Bgm_7.54mS 。并有上面的 2兀CL1723 ： 180 ,增大M10可以提高相位裕1度，并且此時(shí)fz1 10GBW6)確定M3、M4的尺寸。已知':i-"pCox2:1mA /V ,Vthn =425 mV，Vthp = 475 mV，可以得到 Vgsi =0.633 V，假如 g 二 V°s9 =

7、 633 mV，由于電源電壓為 1.8V，Vgs3 -Vthn0.1V , Id1 “D3 =12.5 JA，再由飽和電流方程|d才Cox Y2-Vth可以得到M3、M4的尺寸,=4 WL 332。7.68W。 11L 5 L 67） M7、M8的尺寸影響1點(diǎn)的電壓即Vgs!。, M10的電壓和尺寸已經(jīng)確定，從而計(jì)算得到 Vgsio -Vthn =133 mV , Vgsio = 558 mV，這樣在M7、M8上面的分壓就很大，溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)影響比較嚴(yán)重，取Vgs7 =1.25V并且I? =4Idi =50A，首次計(jì)算仍不考慮溝道長(zhǎng)度調(diào) 制效應(yīng)，從而得到 W、空oIL ,7 IL,818）由

8、 （6 ） Vgs9 =Vds9 =633mV, 咲=2咕=25A , 得 到W =2 W 二28，因?yàn)镸9是偏置管設(shè)計(jì)中取這個(gè)比值為 貿(mào),來(lái) L 9 L 111防止它對(duì)電路的限制，并且 WW 二色0 , M14的尺寸由V L J1 咕9 I L 丿91偏置電流確定，偏置電流設(shè)為25A , M14和M9 樣大小。設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)增益放大倍數(shù)可以通過(guò)設(shè)計(jì) ro來(lái)實(shí)現(xiàn)，r =VeL , Id已經(jīng)確 心 Id定，Ve由工藝確定，所以主要通過(guò)調(diào)整溝道長(zhǎng)度來(lái)設(shè)計(jì)放大倍數(shù)，但開(kāi)環(huán)增益放大倍數(shù)要求不高，所以本設(shè)計(jì)的最小值 180nm。目前為止電路中晶體管參數(shù)已經(jīng)手工計(jì)算完成， 總結(jié)得下表:晶體管尺寸（L=1時(shí)的W值

9、）電流（AA）Mi、M21412.5M3、M4812.5M5、M63250M7、M8*2.350M9、M143225M10180500M11640500表2手算參數(shù)注：M7, M8寬長(zhǎng)比不是整數(shù)。四、電路仿真與參數(shù)調(diào)整用SMIC0.18工藝，工藝角為tt，環(huán)境溫度27°,溝道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為180nm。仿 真發(fā)現(xiàn)：（1）相位裕度M：.：僅為54.7度，不滿足要求；（2）M9的電流不能到達(dá)25A，僅22A ；（3）V°ut處的靜態(tài)工作點(diǎn)大約為1.6V不是理想的0.9V;增大M10或者減小1處的電壓值可以增大gmio，從而增加M：.：，并且可以降低輸出端的靜態(tài)工作點(diǎn)，增大 M9可以增

10、加M9的電流。為了 M7, M8的寬度是長(zhǎng)度的整數(shù)倍，即增加T7.3，使其等于3，設(shè)計(jì)中增加18從而增加M8的電流，這樣可以滿足怡冷時(shí)，心一沁左右，并且gm10=-D10，設(shè)計(jì)中把Vgs!。設(shè)計(jì)的更低些，從而獲得更大的相VGS 10 DS10位裕度，最后確定GS10 =0.53 o這樣一來(lái)輸出端的靜態(tài)工作點(diǎn)變得很低，需要調(diào)整M11的尺寸來(lái)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。最后調(diào)整參數(shù)如下：晶體管尺寸（L=1時(shí)的W值）電流（世A）M1、M21415M3、M4815M5、M63260M7、M8360M93830M143223M10560800M111000800表3.最后參數(shù)五、仿真結(jié)果1）直流增益、帶寬和相位裕度

11、AC Response2S.-35.Q-100.0-125.-150.10°4010210681041Q5freqph 35E 刖 Unwrappecl(VF(r /outF( *7v+0 (VF(" I our)/VF(/v+ ).iiiiiiilllllIIIIIIIMS<lS3.1kHzd 54 斗rI JT； 11Dec 27, 2Q10圖3.交流仿真結(jié)果仿真結(jié)果波形圖如圖3,直流增益為57.45dB, GBW=123.2M,相位裕度為:61.5deg。2）轉(zhuǎn)換速率在輸入端加反相的階躍信號(hào)，進(jìn)行瞬態(tài)仿真，得到轉(zhuǎn)換速率，仿真波形如圖 圖。通過(guò)計(jì)算可以得到SR &

12、#39;84.7V / Js，SR吐=80V / Js，與目標(biāo)值略小。 /out /V+time (us)圖4.轉(zhuǎn)換速率SR-Dec 27,2010Transient Responsetime (us)圖5.轉(zhuǎn)換速率SR+3）功耗DC仿真結(jié)果結(jié)果表明流過(guò)電源端口的電流為Ivdda = 976A，電源電壓為1.8V,所以P總=976A 1.8V1.76 mW總、電路仿真結(jié)果總結(jié)如下表：GBW123.2MHz開(kāi)環(huán)增益57.45dB相位裕度61.5°負(fù)載電容CL4pFSlew Rate84.7V/us，80V/us電源電壓1.8V功耗1.76mW表3仿真結(jié)果六、優(yōu)化上述設(shè)計(jì)使用了很大的 M10和M11來(lái)滿足相位裕度，參考G. PALMISANO, G.PALUMBO AND S. PENNISI 的論文 “ Design Procedure for Two-Stage CMOS Transconductanee Operational Amplifiers: A Tutorial，為了達(dá)到更高的相位裕度, 而又不使用很大的芯片面積，在補(bǔ)償電容和第一級(jí)輸出之間加上一個(gè)補(bǔ)償電阻。并且，為了達(dá)到更高的增益，把溝道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為最小溝道長(zhǎng)度的 2倍360nm。由 于溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)與溝道長(zhǎng)度有關(guān)，需要減小M9的寬長(zhǎng)比使得滿足VGS10 =0.53V