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1、加湿器论文运算放大器论文一个对温度不敏感的高增益运算放大器设计一个对温度不敏感的高增益运算放大器设计摘 要:功率放大器是大功率器件,其自身会消耗大部分的功耗,并导致功率放大器芯片的温度在一个很大的范围内变化,因此功率放大器的控制电路需要对环境温度的变化不敏感。针对这一要求,设计出一个对温度不敏感的全差分 CMOS运算放大器,该运算放大器采用 TSMC 0.18 m 工艺,选用折叠式共源共栅、宽摆幅偏置电路结构。在负载电容为 10 pF 条件下,最大直流增益达到 115dBm,相位裕度为 70;在整个温度范围内(-40+125 )运算放大器的增益变化仅为1 dBm,相位裕度仅变化 5,满足设计要
2、求。 关键词:全差分运算放大器; 负载电容; 增益; 相位裕度 Design of Temperature-insensitive and High Gain Operational Amplifier LUO Zhi-cong1 , HUANG Shi-zhen2 (1.Mechanical and Electrical Engineering College, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2.Fujian Key Laboratory of Microelectronics the ga
3、in variation is only 1dBm and the phase margin is only 5 degrees in the entire temperature range (-40125 ). Keywords: fully differential operational amplifier; load capacitance; gain; phase margin 0 引 言 运算放大器的用途非常广泛,是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分,大量具有不同复杂程度的运算放大器被用来实现各种功能,从直流偏置到高速放大或者滤波等。在很多功率电路中,对运算放大器的温度特
4、性要求很高。例如,应用于功率放大器控制电路中的运算放大器,由于功率放大器是大功率器件,自身消耗的功率大,将导致功率放大器芯片的温度变化很大。因此要求控制电路中运算放大器的增益、稳定性等受温度影响要小1-2。 1 运算放大器的结构选择 运算放大器有很多种结构,按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看,有套筒式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。 图 1 给出 3 种运算放大器的结构,分别为两级放大器、折叠式两级套筒OTA、折叠式两级联 OTA。比较以上三种结构,发现折叠式的共源共栅 OTA 输入摆幅最大,输入共模电平容易选取,而且输入和输出可以短接3。正是由于这些原因
5、,折叠式共源共栅运算放大器更加广泛。同时考虑到不同电压温度条件下增益要达到 110 dB,因此采用两级运算放大器。 2 折叠式共源共栅全差分运算放大器的原理 共源共栅结构的设计思路是将输入电压转化成电流,然后将他作为共源共栅级的输入,共源共栅级电流的变化再转化为输出电压的变化。一个完整的全差分折叠式共源共栅全差分运算放大器包括偏置电路、共模反馈电路和主体电路 3 个部分。 2.1 偏置电路分析 本文选用宽摆幅偏置电路,如图 2 所示,它的主要单元是低压共源共栅电流镜4,由 PMOS 和 NMOS 电流镜组成。首先,分析该电路的 PMOS 宽摆幅电流镜,该电流镜由 M4M8 组成,假设取 M5,
6、M6 的宽长比一样,那么 M5,M6的过驱动电压也是一样的,要使他们都饱和,则 M5 漏端电压至少为 2 倍的过驱动电压。M5 的主要作用是降低 M6 的漏源电压,这样 M6 能更好地匹配M4 的电流。调节 M5 的尺寸,可以控制 M6 的漏源电压,一般 M5 的尺寸小于 M6 尺寸的 1/4,取 M5=1.5 m。同时为了减小短沟道效应,M4,M5 栅长要稍微长点,取L=1 m。NMOS 电流镜也是这样的。合理调节电路参数可以使系统的增益、相位裕度等受温度影响很小。 图 1 基本的放大器结构 图 2 宽摆幅偏置电路 2.2 CMFB 电路 CMFB 的实现有连续时间方法和开关电容方法5-6。
7、本文采用连续时间方法,如图 3 所示,共模采样端输出共模电平通过 2 个相等的电阻R采样。这种结构能确保在一个很大电压范围内会有全平衡输出7。Vref是共模参考电平,这个电路和 M13M17共同构成一个闭环负反馈回路,使共源输出级的共模电平近似等于Vref。由于这两级电路的内部都是低阻抗节点,因此可达到较大的开环单位增益带宽。一般情况下,只要共模输入信号的带宽小于 CMFB 的单位增益带宽就可保证电路共模电平稳定。 2.3 主体电路 本文采用带共源输出缓冲的全差分折叠式共源共栅结构,如图 4 所示,它的主要优点就是较高的增益,输入共模范围较大8-10。 图 3 CMFB 电路 图 4 主体电路
8、 2.4 直流增益分析 图 4 所示的运算放大器存在两级:折叠式共源共栅级增大直流增益和共源放大器。 第一级增益: A1=gM1 gM7rO7(rO9/ /rO1)/ /gM5rO3rO5 第二级增益: A2=gM13(rO13/ /rO14) 整个运算放大器的增益:A=A1A2 因此,要提高运算放大器的增益,主要是提高相应的 MOS 管跨导和输出阻抗7。同时合理地调节电路参数可以使增益、相位裕度等受温度影响很小。 3 折叠共源共栅全差分运算放大器的版图设计 应该采用更加合理的版图布局,更加统一的连线和过孔连接等,使对称电路的寄生效应一致。在全差分运算放大器版图设计时,尤其要注意版图的对称。
9、4 仿真结果与分析 基于 TSMC 0.18 m 工艺,版图设计如图 5 所示。对版图提取寄生电阻、电容,采用 HSpice,Cadence 软件进行模拟仿真。 图 5 运算放大器的版图 开环增益的小信号如图 6,图 7 所示。 图 6 频率响应随温度的变化 其中图 6 为频率响应随温度变化的曲线。从图 6 可以看出,最大增益可达115 dBm,相位裕度为 70,在整个温度范围内(-40+125 )增益变化仅为1 dBm,相位裕度仅变化 5。图 7 中电源电压从 2.7 V 变化到3.3 V范围内,该结构的运算放大器受电源电压影响很小,完全满足实际应用。 5 结 语 本文针对蓝牙功率放大器控制
10、电路的要求,设计了 一个对温度不敏感的运算放大器。采用宽摆幅的偏置电路、选取合理的电路参数等,消除了温度和电压对运算放大器性能的影响。 图 7 频率响应随电源电压的变化 参考文献 1罗志聪,林伟,孙奇燕,等.一个功率可控型蓝牙 CMOS 功率放大器设计J.微电子学与计算机,2009(6):24-27. 2黄世震,罗志聪,孙奇燕,等.一个新颖的应用于 E 类功放的功率控制电路J.微电子学,2009,39(2):233-236. 3朱臻,王涛,易婷,等.一种用于高速 A/D 转换器的全差分、低功耗 CMOS运算放大器跨导放大器(OTA)J.复旦学报:自然科学版,2001(1):14-17. 4RA
11、ZAVI B. Design of analog CMOS integrated circuitsM. New Yorks: McGraw-Hill, 2001. 5孙艳,吴建辉,陆生礼,等.一种动态开关电容运算放大器共模负反馈电路J.电路与系统学报,2004,9(1):55-58. 6朱小珍,柴常春,朱樟明.一种高单位增益带宽 CMOS 全差分运算放大器J.现代电子技术,2006,29(3):68-71. 7BAKER R J, LI H W, BOVCE D. CMOS circuit design, Layout and Simulation M . New Jersey: John Wiley &Sons Inc.,1998. 8 杨俊,卞兴中,王高峰.一种折叠共源共栅运算放大器的设计J.现代电子技术,2006,29(18):28-30. 9罗广孝,马海杰.0.6 m CMOS 工艺折叠共源共栅运算放大器设计J.华北电力大学学报:自然科学版,2008,35(3):103-106. 10朱文龙,黄世震,林伟.一个自偏压互补折叠式共源共栅放大器的设计J.现代电子技术,2006,29(16):4-6. 11王晗,叶青.0.18 m 数字 CMOS 工艺下的高增益运算放大器设计J.半导体学报,2006(Z1):318-321.
