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CMOS简单跨导运放和米勒跨导运放

CMOS简单跨导运放和米勒跨导运放

 

  1. CMOS 简单跨导运放

本章讨论了标 准CMOS 和 BiCMOS之间的权衡。这就是为什么还包括了一些已知的示意图。大部分的讨论都是关于对称 OTA 和折叠级联 OTA 的,因为它们经常被使用。最后,讨论了已发表的作品列表,以表明设计原则适用于大多数。

我们回忆起我们观察到的最简单的差分电压放大器。

这种单级的 CMOS OTA 是众所周知的。因为它有一个简单的配置,这意味着它可以使用到很高的频率。它唯一可能的第二个极是可以忽略不计的,有两个原因:首先它发生在与fT 相关的值上,其次,因为这个节点在输出的另一边。对于一个单端放大器,这意味着这个第二个极,后面是一个零,在两倍的频率上,因此它就可以忽略不计了。

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图 1    简单 CMOS 跨导运算放大器

 

即使我们在节点2 连接一个大的外部电容,我们仍然会找到 M1 和 M2通过输出负载产生的环形电流的一半。无论电容的大小如何,我们总是通过输出负载保持一半的电流。这个因子 2 只能通过具有扩展 2 的零极点双峰来解释。 因此,它对相位裕度的影响很小。

每次我们有一个单端放大器时,输出端另一边的电容因此对于相位裕度可以忽略不计。

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图 2    简单 CMOS 跨导运放,fnd

 

这种电压放大器的增益相当有限,因为对于纳米 MOST 器件而言每个晶体管的增益可能相当小。

这就是为什么最好添加级联。四个级联 MOST  M5-8 与输入器件和电流像串联,如下图所示。注意,级联M7 包括在晶体管M3 周围的反馈回路中,这允许更大的输出摆动。

这被称为伸缩式 CMOS OTA。输出节点上的阻抗大幅增加,但 GBW 没有增加,如下节所示。显然,功耗没有增加。

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图 3   伸缩式 CMOS 跨导运放

 

如果没有级联,增益就会是中等的。然而,有了级联,增益增加,但只有在低频。级联晶体管现在主要用于低频的更大增益,例如低频的低失真。通过对级联晶体管 M6 和 M8应用增益提升,可以将另一个“帽子” 置于该特性之上。

对于深亚微米或纳米的 CMOS,这成为必要,因为每个晶体管的增益已经小于10。

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图 4    级联在低频时提高增益

2. CMOS 米勒跨导运放

与单级放大器相比,类似CMOS 米勒 (Miller) OTA 的两级放大器需要更多的功耗来达到类似的GBW值。BiCMOS 现在被认为是可以节省电力的。 之前的设计规划已经讨论过,它们将被应用在这里。

本节详细讨论了CMOS工艺的一种米勒 OTA。上次列出了这两个表达式。他们有关 GBW 和非主导极点。在每个设计规划中,最好先从最高频率开始,这里是非主导极。总是首先确定 gm6和Cc,正如前面解释的。

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图 5    CMOS 米勒跨导运算放大器

 

双极-CMOS ( BiCMOS) 能提供额外的优势吗?下图展示了典型米勒 OTA 的 BiCMOS实现。第二级使用双极晶体管,因为其gm 与MOST相同,但少4倍的直流电流。由于第二级的电流相对别的级较大,因此大大降低了功耗。然而,双极晶体管的输入电阻太小。它大大降低了节点1 处的电阻,使得在第一级几乎没剩多少增益(如果有的话)。

这就是为什么我们需要在第一级和第二级的输入晶体管之间的发射极跟随器。它用晶体管M9 来实现。输入电阻现在要高 β倍,希望能与第一级的输出电阻相匹配。

该发射极跟随器可将节点1 处的直流电压再提高一个VBE。因此,节点1 比VSS 高出约 2VBE或 1.3V。为了在另一个节点2 上建立相同的直流电压,我们使用了在第4章中解释的三晶体管双极电流镜。现在两个节点1 和2 都呈现出与输入对类似的直流电压,提高了匹配。

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图 6    双极- CMOS米勒跨导运算放大器

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