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(多图) 0.5um CMOS新型电流反馈放大器的分析与设计

嵌入式公社?? 2010年05月15日 ?? 收藏0

  3.3 电路补偿原理分析

  电容Cz 和电阻Rz 串联可进行电路的补偿。其补偿原理如图3 所示。由上图列 出节点方程并解方程,如果1 gm2 << R1, R2,两个极点离的较远,最后解出零点为:

公式

  由(10)可以看出,当RZ = 1/gm2 ,零点消去,提高了电路的稳定性。如果RZ 稍大于1/gm2 ,则零点从S 平面的右半平面移到左半平面,也可提高电路的稳定性。

  由于在微电子工艺中电阻或者电容过大会占用很大的面积,故图3 中的电阻RZ 用M15-M16 来实现,M19 起到电容的作用。静态时,M15,M16 中无电流.根据小 信号等效电路,可求得漏源端的等效电阻为RZ = 1/gm,这里gm 为M15-M16 的跨 导,因此,当M15-M16 的跨导设计合理时可以起到电阻RZ 的作用。另外MOS 管M17-M18 也起到和M15-M16 相同的作用,M19 和M17-M18 对电路进行补偿。

  4.原理分析与仿真

  4.1 开环仿真结果

  在图 1 中,M9、M10 构成运放第二增益级,其小信号增益为:

公式

  在PSPICE 下利用BSM3 0.5um CMOS 工艺参数,负载电容CL=20pF,得到该电路的差模 开环增益为84.2dB,单位增益带宽为676MHz,相位裕度为60°, 显然电路满足稳定性要求。 而文献中的单位增益带宽分别为1MHZ、2.2MHZ,文献中的CFOA 单位增益带 宽为79.5MHZ,可看出电路单位增益带宽有极大的提高。

  4.2 闭环特性分析与仿真

  本文所设计的 CFOA 电路的交流小信号等效电路如图4。第一级是输入级,采用CCⅡ-。 第二级采用传统的两级运算放大器。

CFOA 电路的交流小信号等效电路

  对图 4 小信号等效电路进行分析,CT 和RZ 是内部电容电阻;Rf 是反馈电阻。则:闭环电压增益的近似函数式为:

公式

  得闭环-3dB带宽为:

公式

  式(9)和式(10)表明,对于CFOA,其闭环带宽可用反馈电阻Rf 调节,闭环增益则可用 R1 进行控制,实现增益与带宽的独立控制。

  用 PSPICE 分析其反向闭环特性,当固定R f =100K, R1分别取1K、10K、100K时,反 相闭环增益分别为40dB、20dB、 0dB,同相闭环增益与此类似。说明电路设计合理,体 现了CFOA 增益设置关系不大的带宽。

  5 结论

  本文的低压低功耗 CFOA,它在只需1V 电源电压情况下,仅产生0.7mW 功耗,84.2dB 的开环增益,62°的相位裕度,高达138dB 的共模抑制比, -0.85V~0.97V 的输出电压范围。 由于电源电压只有1V,使得功耗较小,这对便携式设备和需要较小电压的场合的利用极为 有利。本文作者创新点:利用MOS 管实现串联电阻以消除补偿电容带来的低频零点,通过高 输出阻抗镜像电流镜增大了电路的增益,并用共源共栅电流源为电路提供偏置电流以减小电 源电压的变化对偏置电流影响。本文的参数以及与文献的比较如下表中所示。

本文的参数以及与文献的比较


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CMOS? 电流反馈? 放大器? CFOA?

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