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折叠级联跨导运算放大器

折叠级联跨导运算放大器

 

另一个常用运算跨导放大器是折叠级联 ( Folded Cascode OTA)。许多设计师限制自己只做折叠级联 OTA,因此,确切的弄清楚它们的优点和缺点是很重要的。此外,还要了解哪种设计方案在功耗、噪声等方面提供最佳的性能。

一个折叠的级联 OTA由一个输入差分对、两个级联和一个电流镜组成。当我们有两个输出时,将不需要使用后一个电流镜。

它又是一个高摆动的电流镜。该电路与对称 OTA一样的对称,因为两个输入器件在节点1 和2 上看到了完全相同的直流电压和阻抗。输出是唯一处于高电阻的点。实际上,所有其他节点都处于1/gm 级别。尽管它很复杂,但它仍然是一个单级放大器。

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图 1    折叠级联 CMOS 跨导运算放大器

 

首先让我们检查直流操作的实际工作原理。输入器件被电流源(和 M9 一起)偏置在,例如 100uA,这两个输入器件各携带 50uA. 在节点2 处,晶体管M11 吸引100uA。该电流与来自 M1 的电流之间的差,从级联晶体管 M4 拉出;该电流流过两个级联晶体管。顶部的电流源映射该电流,即使输出节点接地,直流电流也无法流出。

通常,输入和级联器件中的所有电流都是相同的,即50uA. 这不是必要的,但肯定是避免各种诸如不对称的摆动、摆率等伪像的最佳方法。

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图 2    折叠级联 CMOS 跨导运放, 直流

 

小信号操作易于理解,输入晶体管产生一个环形电流,它通过级联晶体管流到高阻抗节点。节点4 处的输出电阻再次为Rn4

在很低的频率下的电压增益现在很容易获得,请注意此增益很高,因为使用了级联。增益提升可以应用于级联M4 和M8,以进一步增加增益。

在同一输出节点上产生带宽,GBW 就是这个积。它与单晶体管放大器完全相同。当然,这里的输入跨导较小,因为只有一半的电流在输入级流动。这个折叠 OTA有什么好处?它消耗的电流是伸缩级联级的两倍!

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图 3    折叠级联 CMOS 跨导运放

 

为了找到折叠级联 OTA的优点,我们必须验证高频性能。

非主导极点是在节点1 和节点2 处创建,它们一起形成一个非主导极。节点1 处的电阻为1/gm3,该节点处的电容为Cn1,它是三个小电容的总和,其大小都很相似。

非主导极发生在 fT 的大约三分之一处,这确实是一个非常高的频率,因此,GBW 可以相当高,这是折叠 OTA的第一个优点。最后,请注意,也可以使用带有晶体管 M5-M8 的电流镜, 但是请记住,该电流源需要 1 V 以上的电压才能使所有晶体管保持饱和状态, 这是每条电源线的输出摆幅损失。 以前的电流镜对于低压应用要好很多。

 

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图 4     折叠级联 CMOS 跨导运放

 

顶部节点5、6 和7 的电容也导致非主导极,然而它们后面是零,频率是它们的两倍。事实上,每次我们有一个单端放大器时,与输出端另外一侧的电容都可以忽略不计。综上所述,这个OTA 只有一个非主导极点,它相当容易设计。它还有一个优点是它的速度非常快。

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图 5     折叠级联 CMOS 跨导运放

 

一个 BiCMOS 折叠式OTA 会更快吗?要插入双极晶体管唯一好的位置是作为级联器件。 事实上,这就是我们需要高速器件的地方。节点1 和节点2 上的非主导极与级联的 fT 相关联。这高于特定的 BiCMOS 工艺内 nMOST  fT 的fT 。 请记住, 这不一定比采用较新的标准 CMOS 工艺的 nMOST 更高。

切勿对直流电流源中的晶体管M10 和M11 使用双极器件,它们的集电极-衬底电容将使节点1 和节点2 上的非主导极减少得太小!

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图 6     折叠级联 双极- CMOS 跨导运放

 

折叠级联 OTA的第二个重要优点是输入晶体管可以在其栅极超出电源线的情况下运行。 共模输入电压范围可以包括电源轨之一!

在下图的电路中,当栅极连接到地,甚至低于地时,输入端的 pMOST 器件仍然工作。 输入晶体管的 VGS 值很容易达到 0.9 V(对于 VT=0.7 V),这足以容纳 VDS1 和 VDS10

如果VDS1 约为0.2V 和VDS10=0.5V,则输入晶体管仍然可以在其基极低于地 0.2V 时工作!一个折叠级联的运放包括接地轨。这就是为什么它们以前经常被用于单电源系统,如汽车应用,但现在也用于所有混合信号应用,其中处理器只使用一条单电源线。

此外,并行连接两个折叠的级联,一个输入极是 pMOST,另一个输入极是 nMOST,允许覆盖整个轨到轨范围。这就是轨到轨输入运放组合的方式

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图 7     折叠级联跨导运放, 输入到 Vss 轨

 

对于两级米勒 CMOS  OTA,折叠级联 OTA也是一个优秀的第一级。像往常一样,第二级只是一个有有源负载的单一晶体管, 因此,GBW 由 gm1和 Cc 决定。然而,现在有两个非主导极点。低频频率的那个通常在输出处,另一个节点,在节点1 和节点2 处,通常是在最高的频率处。

由于第二级,输出摆动可以是轨到轨。事实上,即使当输出电压非常接近正电源电压,并且输出晶体管 M12 进入线性区域并失去其增益时,在第一级仍然有足够的增益来抑制失真。

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图 8     有两级的折叠级联跨导运放

 

为了进行比较,重复了传统的折叠级联 OTA。顶部电流镜 M5-M8 也可以以不同的方式实现,如下面图 10所示。

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图 9     传统的折叠级联跨导运放

 

在这个替代的折叠级联 OTA 中,电流镜像是在级联本身周围进行的。

事实上,晶体管 M3/M4也是由M3/M4 和M10/M11 形成的差分电流放大器中的级联。这个放大器提供了输入电流之间的差值,这些输入电流在幅度上相同,但在相位上相反,因为它们直接来自输入对。负载电容中的输出电流仅为gm1.vINd。让我们试着找一下与以前传统的折叠级联 OTA有什么区别。显然,增益和输出阻抗是相同的。偏置线的数量减少了1条,因为M5-6 和M9可以共享同一栅极线。

然而,主要的区别在于输入晶体管所看到的阻抗。在传统的折叠级联中,输入器件看到的是完全相同的阻抗。在替代配置中,晶体管 M1看到 1/gm4,但晶体管M2看到 1/gm3 除以晶体管M3的增益或 gm3ro3。这个要小得多!因此,替代的折叠级联 OTA有点不那么对称。这将在高阶极点和零中可见,我们不太关注这些问题。

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图 10     折叠级联跨导运放

 

为了进行比较,给出了一个短表,列出了主要的优缺点。

四晶体管单级电压差分放大器是列表上的第一个,接下来是一个对称的 CMOS OTA,然后我们有两个级联 CMOS  OTA,最后是一个两级的米勒 CMOS  OTA。很明显,米勒CMOS  OTA具有最高的功耗,最好的是伸缩级联。对于高输出摆动,伸缩级联 OTA是最差的一个,最好的是米勒 CMOS  OTA 和对称的 OTA,至少如果没有使用级联!然而,在噪音方面,对称的 OTA是最差的。这表明,即使只有三个规格,也没有一个放大器可以被称为最好的。许多设计师更喜欢折叠的级联 OTA,这当然是一个很好的折衷。

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图 11     放大器的比较

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