《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高效率的ACBC-C三級運(yùn)放的設(shè)計(jì)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
和 雨,，肖知明，王 宇,，胡偉波
南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院,，天津300350
摘要： 采用TSMC 180 nm的CMOS工藝，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有高效率,、大的電容負(fù)載驅(qū)動能力的三級運(yùn)算放大器,。提出了一種基于共源共柵密勒補(bǔ)償(Cascode Miller Compensation，CMC)和交流升壓補(bǔ)償(AC Boosting Compensation,，ACBC)的ACBC-C補(bǔ)償結(jié)構(gòu),，其中，ACBC通過增加一條交流通路的方式提高了GBW以及電容驅(qū)動能力,。輸出級采用AB類結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效率,。CMC可以適應(yīng)AB類輸出級結(jié)構(gòu)，在保證線性度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率最大化,，并且消除密勒電容帶來的零點(diǎn),，更好地對穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償。電路仿真結(jié)果表明：當(dāng)設(shè)定相位裕度下限為45°時(shí),，最大可承受負(fù)載電容約為3 100 pF,；當(dāng)在輸出端接1 000 Ω負(fù)載電阻時(shí),，電路效率為95.299%,。
中圖分類號： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191370
中文引用格式： 和雨，肖知明,，王宇,，等. 一種高效率的ACBC-C三級運(yùn)放的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2020，46(6)：36-39,，50.
英文引用格式： He Yu,，Xiao Zhiming，Wang Yu,，et al. Design of a high-efficiency ACBC-C three-stage operational amplifier[J]. Application of Electronic Technique,，2020，46(6)：36-39,，50.
Design of a high-efficiency ACBC-C three-stage operational amplifier
He Yu,，Xiao Zhiming，Wang Yu,，Hu Weibo
College of Electronic Information and Optical Engineering,，Nankai University，Tianjin 300350,，China
Abstract： Using TSMC 180 nm CMOS technology, a three-stage operational amplifier with high efficiency and large capacitive load driving capability is designed and implemented. This paper proposes an ACBC-C compensation structure based on CMC(Cascode Miller Compensation) and ACBC(AC Boosting Compensation). Among them, ACBC by adding an AC path increases the GBW and the capacitive driving ability. The output stage uses a class AB structure to achieve high efficiency. And CMC can adapt to the class AB output stage structure, maximize efficiency while keeping great linearity, and remove the zero caused by Miller capacitor, and better compensate the stability. The simulation results show that when the phase margin is set to 45 degrees, the maximum load capacity can be as high as 3 100 pF, and that when a 1 000 Ω load resistor is connected to the output, the circuit efficiency achieves 95.299%.
Key words : capacitive load driving capability,；class AB output stage；AC boosting compensation,；cascode Miller compensation

0 引言

    隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的下降,，芯片的電源電壓越來越低。越低的電源電壓就意味著許多傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)變得不再適用[1],。放大器是模擬集成電路領(lǐng)域的一個(gè)重要模塊之一,，放大器的增益可以通過在輸出級使用共源共柵結(jié)構(gòu)來提高，但是隨著電源電壓的下降,，共源共柵結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重限制輸出電壓擺幅[2],。在適應(yīng)摩爾定律的同時(shí)，許多可替代的電路結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn),。多級運(yùn)放可以保證在足夠大的輸出電壓擺幅的同時(shí)提高增益,。但是每增加一級放大級，至少會產(chǎn)生一個(gè)高阻抗點(diǎn),，進(jìn)而引入一個(gè)極點(diǎn),，過多的極點(diǎn)會極大地影響放大器的穩(wěn)定性。因此,，多級運(yùn)放的頻率補(bǔ)償變得尤為重要,。極點(diǎn)分離是頻率補(bǔ)償過程中的常用手段之一，通過改變電容來改變主極點(diǎn)和其他非主極點(diǎn)的位置可以達(dá)到極點(diǎn)分離的效果,。針對三級運(yùn)放,，嵌套密勒補(bǔ)償(Nested Miller Compensation，NMC)是最常用的補(bǔ)償方式之一,，只需兩個(gè)密勒電容,，就可以達(dá)到穩(wěn)定電路的目的,。但是嵌套密勒補(bǔ)償是以犧牲GBW為代價(jià)的，并且這種補(bǔ)償方式適用的負(fù)載電容范圍很小[3],。此外,，如果要增大負(fù)載電容范圍，需要增大內(nèi)部密勒電容的尺寸,，相應(yīng)的芯片面積也會增大,。為了解決這些問題，許多新的補(bǔ)償方式被提出,，阻尼因子控制頻率補(bǔ)償(Damping-Factor-Control Frequency-Compensation,，DFCFC)通過增加一個(gè)阻尼網(wǎng)絡(luò)的方式，極大地提高了GBW,，但是DFCFC適用于大負(fù)載電容的情況下,，對于較小的負(fù)載電容，DFCFC并沒有表現(xiàn)出良好的特性[3],。ACBC補(bǔ)償[4]通過增加一條交流通路的方式,，也極大地提高了GBW，并且在NMC的基礎(chǔ)上,，拓寬了可承受負(fù)載電容范圍,，表現(xiàn)出非常優(yōu)越的特性。但是ACBC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中的密勒電容會引入一個(gè)右半平面零點(diǎn),，該零點(diǎn)對穩(wěn)定性具有負(fù)影響,。CMC可以在不增加額外的消零電阻以及前饋通路的同時(shí)消除該右半平面零點(diǎn)[5]。本文創(chuàng)新性地提出將ACBC與CMC結(jié)合,，形成ACBC-C結(jié)構(gòu),，并研究其優(yōu)越特性。

    此外,，高效率也是運(yùn)算放大器的衡量指標(biāo)之一,，高效率代表電路中大多數(shù)的功耗都來自于負(fù)載，很少有功率的浪費(fèi),。AB類放大器相比A類放大器具有較高的效率,，所以本電路采用AB類輸出結(jié)構(gòu)。AB類輸出結(jié)構(gòu)形成了推挽式輸出,，也適用于上述的ACBC-C補(bǔ)償結(jié)構(gòu),。所以本文針對具有高效率的ACBC-C三級運(yùn)放進(jìn)行分析和仿真。




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作者信息:

和  雨,，肖知明,，王  宇，胡偉波

(南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津300350)

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