Menu Close

单级运算跨导放大器的设计

单级运算跨导放大器的设计

 

在上一章中,我们了解了关于运算跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier, OTA)稳定性的一切需要,以便能够通过MOST 器件来实现它。 现在我们要完善设计规划,到目前为止,我们随意地选择了补偿电容,问题是,我们如何才能为此得到改进呢?最后,我们现在只关注了一些参数,即GBW和相位裕度 (Phase Margin), 当然还有更多的参数,本章将详细阐述。

本节首先给出了单晶体管放大器的晶体管实现, 然后是双晶体管米勒 (Miller) OTA,讨论了详细的设计方案,以得到最低的功耗;并依特定的CMOS 工艺估算了最大的GBW,结果表明很容易达到GHz量值,最后列出了所有其他的参数,并针对两级米勒 OTA 讨论了其中的一些参数。

本章始终使用相同的CMOS 米勒 OTA,所有相关数值都针对同一个放大器,因此,读者可以逐渐建立起相关参数数量级的概念。

首先讨论单级OTA 的设计:

在下图中给出了一个差分电压放大器,描述单级OTA 的增益、带宽和GBW 的表达式已经在前面讨论了。

GBW 显然是可以预期的。注意,负载电容也包含一些由于晶体管电容所引起的寄生电容,它们被总括为 Cn1,即节点1 处的晶体管电容的和。 然而该电路还包含第二个节点,甚至是第三个节点, 我们是否要考虑到这些节点接地的电容量?事实上,相对地面的电容给出了一个极点,我们因此还会有另外两个非主导极吗?答案是否定的。 首先在节点3 处,当该级被差分驱动时,不存在交流信号,因此节点3 没有计入。 在节点2 处,我们确实有一个非主导极点,然而有两个原因说明为什么它可以被忽视。

 

%title插图%num

图 1   单级 CMOS运算跨导放大器的 GBW

 

在我们关注非主导极点之前,我们先找出从这样一个简单的放大器可以期望多少GBW。我们已经知道它是低功耗的最佳选择,这在实际数字中意味着什么?

对运放而言最简单的品质因数 (FOM) 是GBW、CL 和功耗,稍后还可以添加一些其他的参数,如噪音,摆幅等,除了功耗,电流消耗也可以拿进来。为此,差分配置的草图画在下图中,有效负载电容现在只有单端输出电容量的一半;另一方面,也没有电流镜来使输出电流翻倍,这个OTA 是单级放大器的典型。

我们发现,对于 10 uA 的总电流,1 pF 的负载电容仍然可以产生 10 MHz 的 GBW。 更容易记住的是,使用 1uA 时,1pF 负载电容可以实现 1MHz 的 GBW。 这给出了 1000 MHzpF/mA 的 FOM,实际上稍微少一些,就是800。然而当我们在下一章与其它 OTA 进行比较时,我们会看到这是一个很好的结果。

%title插图%num

图 2   CMOS运算跨导放大器最大的 GBW

 

现在我们再次关注非主导极点, 这种非主导极的位置很容易确定, 节点2 处的电阻仅为1/gm3,节点电容 Cn2 是连接到节点2 的所有晶体管电容的和。 对于MOST 管,电容CDB 约等于其CGS,这就是为什么 CLn2中的所有四个电容都是相等的。这是一个粗略的近似值,但足够可以很好地处理这个极点,电容Cn2 约为 4×CGS3

非主导极 fnd 约为 fT3/4,这是节点2 对我们的影响不太大的第一个原因;与GBW 相比,这种非主导极所处的频率只是太高了。第二个原因是在图4 上展示。

%title插图%num

图 3   单级CMOS运算跨导放大器的 fnd

 

节点2 上的电容Cn2 确实产生了一个极点,但也产生了一个零。事实上,在具有单个输出的差分放大器另一侧的接地电容,在频率为2×fnd 的两倍时产生一个极 fnd 和一个零。在较高的频率下,输出电流除以 2,因为电流镜像不再接收到更多的电流。 除以2 只能用一个极-零点双峰来表示,其中零比极点高两倍。

这解释了省略了所有其他电容的电压放大器,这个零的优点是它极大地补偿了极点的相移,最终的结果是相移的变化很小。因此这一极-零对对相位裕度的影响可以忽略不计。结果可以忽略节点2 处的电容 Cn2,我们已经找到了两个原因。

%title插图%num

图 4   简单 CMOS运算跨导放大器的fnd

 

作为一个设计示例,我们采用下图所示的GBW 和CL 的值。

只要选择合适的VGS−VT(为0.2V),gm很容易计算出来,电流也很容易计算出来。通过K’ 系数,我们可以计算出所需的W/L值。

现在必须要选择 L,为了获得增益,我们需要其大约是最小沟道长度的3 倍或1 微米,然后就可以算出宽度。nMOS 的宽度较小,因为它的K’较大。

我们可以尝试验证节点2 上的极点是否确实可以忽略不计,为此我们必须找到FT,或者更确切地说,必须找到输入电容 CGS2。如果使用最小沟道长度,MOST 具有 CGS=kW,且k=2fF/um。

对于 L=0.35 um,W/L=100  的场效应管其 W=35 um,因此 CGS 为 70 fF。 现在 L 和 W 都增大了三倍, CGS2 为 70×3×3=630 fF, 其 fT2 约为 300 MHz 和 fT2/4 ≈ 76 MHz,幸运的是,这个极点后面跟着零。

如果我们确实不希望这个极-零对低于GBW,我们必须使晶体管更小,但恶化增益。另一种可能性是使晶体管更小,并增加级联来增加增益!

%title插图%num

图 5   单级 CMOS运算跨导放大器的设计案例1

Posted in CMOS模拟集成电路

1 Comment

发表评论

相关链接