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運算放大器的用途非常廣泛，是許多模擬系統和混合信號系統中的一個(gè)完整部分，大量具有不同復雜程度的運算放大器被用來(lái)實(shí)現各種功能，從直流偏置到高速放大或者濾波等。在很多功率電路中，對運算放大器的溫度特性要求很高。例如，應用于功率放大器控制電路中的運算放大器，由于功率放大器是大功率器件，自身消耗的功率大，將導致功率放大器芯片的溫度變化很大。因此要求控制電路中運算放大器的增益、穩定性等受溫度影響要小。 1 運算放大器的結構選擇 運算放大器有很多種結構，按照不同的標準有不同的分類(lèi)。從電路結構來(lái)看，有套筒式共源共柵、折疊式共源共柵、增益提高式和一般的兩級運算放大器等。 圖1給出3種運算放大器的結構，分別為兩級放大器、折疊式兩級套筒OTA、折疊式兩級聯(lián)OTA。比較以上三種結構，發(fā)現折疊式的共源共柵0TA輸入擺幅最大，輸入共模電平容易選取，而且輸入和輸出可以短接。正是由于這些原因，折疊式共源共柵運算放大器更加廣泛。同時(shí)考慮到不同電壓溫度條件下增益要達到110 dB，因此采用兩級運算放大器。 、 2 折疊式共源共柵全差分運算放大器的原理 共源共柵結構的設計思路是將輸入電壓轉化成電流，然后將他作為共源共柵級的輸入，共源共柵級電流的變化再轉化為輸出電壓的變化。一個(gè)完整的全差分折疊式共源共柵全差分運算放大器包括偏置電路、共模反饋電路和主體電路3個(gè)部分。 2．1 偏置電路分析 本文選用寬擺幅偏置電路，如圖2所示，它的主要單元是低壓共源共柵電流鏡，由PMOS和NMOS電流鏡組成。首先，分析該電路的PMOS寬擺幅電流鏡，該電流鏡由M4～M8組成，假設取M5，M6的寬長(cháng)比一樣，那么M5，M6的過(guò)驅動(dòng)電壓也是一樣的，要使他們都飽和，則M5漏端電壓至少為2倍的過(guò)驅動(dòng)電壓。M5的主要作用是降低M6的漏源電壓，這樣M6能更好地匹配M4的電流。調節M(mǎn)5的尺寸，可以控制M6的漏源電壓，一般M5的尺寸小于M6尺寸的1／4，取M5=1．5 μm。同時(shí)為了減小短溝道效應，M4，M5柵長(cháng)要稍微長(cháng)點(diǎn)，取L=1 μm。NMOS電流鏡也是這樣的。合理調節電路參數可以使系統的增益、相位裕度等受溫度影響很小。 2．2 CMFB電路 CMFB的實(shí)現有連續時(shí)間方法和開(kāi)關(guān)電容方法。本文采用連續時(shí)間方法，如圖3所示，共模采樣端輸出共模電平通過(guò)2個(gè)相等的電阻R采樣。這種結構能確保在一個(gè)很大電壓范圍內會(huì )有全平衡輸出口。Vref是共模參考電平，這個(gè)電路和M13～M17共同構成一個(gè)閉環(huán)負反饋回路，使共源輸出級的共模電平近似等于Vref。由于這兩級電路的內部都是低阻抗節點(diǎn)，因此可達到較大的開(kāi)環(huán)單位增益帶寬。一般情況下，只要共模輸入信號的帶寬小于CMFB的單位增益帶寬就可保證電路共模電平穩定。 2．3 主體電路 本文采用帶共源輸出緩沖的全差分折疊式共源共柵結構，如圖4所示，它的主要優(yōu)點(diǎn)就是較高的增益，輸入共模范圍較大。 2．4 直流增益分析 圖4所示的運算放大器存在兩級：折疊式共源共柵級增大直流增益和共源放大器。 第一級增益： 第二級增益： 整個(gè)運算放大器的增益： 因此，要提高運算放大器的增益，主要是提高相應的MOS管跨導和輸出阻抗。同時(shí)合理地調節電路參數可以使增益、相位裕度等受溫度影響很小。 3 折疊共源共柵全差分運算放大器的版圖設計 應該采用更加合理的版圖布局，更加統一的連線(xiàn)和過(guò)孔連接等，使對稱(chēng)電路的寄生效應一致。在全差分運算放大器版圖設計時(shí)，尤其要注意版圖的對稱(chēng)。 4 仿真結果與分析 基于TSMC0．18μm工藝，版圖設計如圖5所示。對版圖提取寄生電阻、電容，采用HSpice，Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真。 其中圖6為頻率響應隨溫度變化的曲線(xiàn)。從圖6可以看出，最大增益可達115 dBm，相位裕度為70°，在整個(gè)溫度范圍內(-40～+125℃)增益變化僅為1 dBm，相位裕度僅變化5°。圖7中電源電壓從2．7 V變化到3．3 V范圍內，該結構的運算放大器受電源電壓影響很小，完全滿(mǎn)足實(shí)際應用。 5 結語(yǔ) 本文針對藍牙功率放太器控制電路的要求，設計了一個(gè)對溫度不敏感的運算放大器。采用寬擺幅的偏置電路、選取合理的電路參數等，消除了溫度和電壓對運算放大器性能的影響。 |
