三级可配置放大器设计

多目标多级差分运放的实现i目次一.项目概述.........................................1二.运算放大器稳定性分析.............................11.单级运算放大器的稳定性..............................................12.两级运算放大器的稳定性..............................................23.三级运算放大器的稳定性..............................................34.可变的增益和GBW....................................................4三.放大器设计指标要求...............................6四.运算放大器的设计.................................61.第三级运算放大器的设计..............................................62.第二级运算放大器的设计..............................................83.第一级运算放大器的设计.............................................11五.电路仿真结果....................................151.最后一级放大器工作的仿真...........................................152.后两级放大器工作的仿真.............................................163.三级放大器工作的仿真...............................................184.可配置三级运放总体性能指标.........................................20六.设计总结........................................21多目标多级差分运放的实现1一.项目概述在目前的SOC系统设计中，芯片经常工作于不同的模式。因此，芯片的某些功能，需要使用不同性能参数的放大器。通过对芯片中的运算放大器的模块进行动态配置，系统设计者希望仅使用一个放大器就可以实现其在不同工作模式的性能指标。这就需要将放大器的性能参数设计成可配置的。此放大器的设计过程中，我们着重考察增益，增益带宽积，稳定性和功耗几个参数。在低功耗设计的同时，必须保障系统工作的稳定性。这个电路使用一个三级miller补偿的运算放大器，如图1所示。通过对其中各级的开关切换，此放大器的增益和GBW可以改变。图1三级miller补偿的运放二.运算放大器稳定性分析运算放大器总是运用于反馈系统中，而正反馈会引起系统工作的不稳定。因此，在运算放大器各种不同的配置下，都需要保障系统的稳定性。下面分析单级、双级、三级运算放大器的稳定性。运算放大器总是运用于反馈系统中，而正反馈会引起系统工作的不稳定。因此，在运算放大器各种不同的配置下，都需要保障系统的稳定性。下面分析单级、双级、三级运算放大器的稳定性。1.单级运算放大器的稳定性一级运算放大器的宏模型如图2所示。由此可得到此运算放大器的增益vmoutAgr，多目标多级差分运放的实现2带宽121outBWrC，增益带宽积21mgGBWC。因为一级运算放大器只有一个极点，所以相位裕度一定大于90°，因此不会存在稳定性问题。图2一级运算放大器的宏模型2.两级运算放大器的稳定性两级运算放大器是一种常用的放大器的拓扑结构。在这个机构中，存在两个极点，因此在反馈回路中存在两次90°的相移。在这种情况下，负反馈有可能变成正反馈。只有当运算放大器的增益小于1时，这个电路才能是稳定的。我们可以通过使用miller电容的方法来使两个极点分离。两级运放的宏模型如图3所示。由图可见，此运算放大器的增益11vmCAgjC，12mCgGBWC。假设运放有两个极点。（实际上会有两个以上极点，同时还会有右半平面或者左半平面的零点）。图3两级运算放大器的宏模型多目标多级差分运放的实现3图4S平面中极点分布由于miller补偿电容的存在，1p、2p将会分割得很远。假设12||||pp（如图4所示），这样在GBW频率处由1p引入的相移为-90°，由2p引起的相移为2arctanpGBW。两级运算放大器的相位裕度2218090arctanarctanppGBWGBW。若要使相位裕量为70°，则需要满足22arctan702.74ppGBWGBW，通常使非主极点在GBW频率的3倍处。3.三级运算放大器的稳定性在三级运算放大器中，其总增益为各级运算放大器增益的乘积，同时每级放大器都会引起90°的相移。稳定性的问题变得比两级放大器更严重，因此需要得到更多的验证和保障。这时仍需要将3个极点的位置进行分离，使得相位裕度的要求得以满足。三级运算放大器的宏模型如图5所示。由图可见，此放大器的增益112233vmoutmoutmoutAgrgrgr，12mdgGBWC，多目标多级差分运放的实现4图5三级运算放大器的宏模型相位裕度2390arctanarctanppGBWGBW。当相位裕度在70°和60°的情况下，两个非主极点的分布如图6所示。图6非主极点位置对相位裕度的影响4.可变的增益和GBWCascade的设计思想可以提高增益。然而由上述可知，在有些应用中，系统并不需要非常高的增益。因此我们设计如下可配置的放大器，可以使其在各种开关配置下实现一级、两级乃至三级放大器的功能。可变换级数的运算放大器的拓扑结构如图7所示。其开关配置情况如表1。多目标多级差分运放的实现5图7可变换级数的运算放大器的拓扑结构表1开关配置当只有最后1级工作时32mLgGBWC；当只有最后2级工作时22mCgGBWC；多目标多级差分运放的实现6当3级全部工作时12mDgGBWC；三.放大器设计指标要求●最大负载电容：20P●第三级GBW：600MHz●第三级的增益：20dB●后两级的增益：65dB●三级总的增益：90dB四.运算放大器的设计通过工艺库文件，我们可查得其nmos工艺的阈值电压Vth、载流子迁移率U0、栅氧化层厚度为：0.59thnVV，20.034/oumVs，97*10oxtm。可得单位面积栅氧化层电容和本征导电因子KP分别为：32424.9310/,1.6810/oxPooxoxCFmKCAVt。同理可得pmos管的阈值电压0.72thpVV，20.0081/oumVs，420.410/PKAV。1.第三级运算放大器的设计作为最后的输出级，第三级运算放大器需要有足够大的带宽，因此使用最简单的差分共源放大器，其电路结构如图8所示。多目标多级差分运放的实现7图8第三级放大器的电路结构M1，M2管的设计：M1，M2为输入管，其长宽比由负载电容和GBW确定。系统指标要求次级的CL=20P，GBW=600MHz，由此可得1290.4/mLgGBWCmAV，取0.3GTVV，则1113.562DSmGTIgVmA，1()7533mPGTgWLKV，因此取123022()()0.4WWLL。M3，M4管的设计：M3，M4决定了本征阻抗的大小，1011090.4vomArg，10.37oDSErILuV取34460()()0.4WWLLM5—M9管的设计：M5—M9提供偏置，流过M6的电流为27mA，设M6上的有效电压为0.4V，则66262()8437DSPGTIWLKV，取63378()0.4WL。取流过M5的电流为M6的1/100，则533.7()0.4WL。取820()0.5WL，72.2()0.5WL，偏置电流源为30u。设流过源随器M10，M11的总电流为135u，因此取9820()()0.5WWLL。多目标多级差分运放的实现8M10，M11管的设计：M10，M11为源随器，对差分输出取共模，这里主要从跟随能力和功耗考虑，取101120()()0.4WWLL第三级放大器所有器件设计尺寸和仿真修改尺寸如表2所示。器件名手算设计值仿真修改值M13022/0.43200/0.4M23022/0.43200/0.4M3460/0.41200/0.4M4460/0.41200/0.4M533.7/0.432/0.4M63378/0.44000/0.4M72.2/0.52.2/0.5M820/0.520/0.5M920/0.520/0.5M1020/0.420/0.4M1120/0.420/0.4CL120P20PCL220P20P表2设计尺寸与仿真尺寸对比2.第二级运算放大器的设计第二级放大电路使用折叠cascade结构，该结构具有输入范围大，放大倍数高的特点。电路结构如图9所示。多目标多级差分运放的实现9图9第二级放大器电路结构Miller补偿电容CC的设计：为了保证相位裕量有70°，要求第二极点满足以下条多目标多级差分运放的实现10件：32233mmPLCggGBWCC，取1102CLCCpf。输入管M1，M2的设计：由于第三级放大器的输出提供的极点2600ndfMHz，所以设计第一级放大器的GBW为输出极点频率的1/5。取第一级放大器GBW=120MHz。则第二级的极点13360ndfGBWMHz111222.6/2mndmCCgfgCGBWmAVC。取1()0.3GSTHVVV，1111()32DSmGSTHIgVVmA。1121()()400()mPGSTHgWWLLKVV，取12160()()0.4WWLLCascade电流源M3—M10的设计：由于后两级电路的增益要求65dB，最后一级电路设计为20dB，所以第二级放大器设计增益为45dB。设流过M3，M4的电流为1mA，则流过M5，M6的电流为4mA。所以34224()()0.4WWLL，56800()()0.4WWLL。78910200()()()()0.4。共模反馈M19，M20的设计：由于要求共模GBW不小于差模GBW，因此取19201160()()()0.4。电流镜M17，M18，M21，M22的设计：流过这四个管子的电流为6mA，所以取171821221320()()()()2()0.4。第二级放大器所有器件设计尺寸和仿真修改尺寸如表3所示。器件名手算设计值仿真修改值M1160/0.472/0.4M2160/0.472/0.4M3224/0.4120/0.4M4224/0.4120/0.4M5800/0.4720/0.4M6800/0.4720/0.4M7200/0.530/0.4M8200/0.530/0.4多目标多级差分运放的实现11M9200/0.530/0.4M10200/0.430/0.4M1120/0.4180/0.4M1220/0.4180/0.4M1340/0.440/0.4M1440/0.440/0.4M17320/0.4150/0.4M18320/0.4150/0.4M19160/0.4100/0.4M20160/0.480/0.4M21320/0.480/0.4M22320/0.4100/0.4M23160/0.4255/0.4M24160/0.4255/0.4M2520/0.416/0.4M2640/0.448/0.4M271/0.41/0.4M282/0.42/0.4M2916/0.416/0.4M304/0.44/0.4M312/0.42/0.4M3