一种基于PWM的CMOS误差放大器的设计
1.2 本设计采用的CMOS二级运放电路
为了实现频率补偿,并消除负反馈对电路稳定性的影响,本文中采用的二级运放对电路做了改进,中间加入一级缓冲器电路,克服补偿电容的前馈效应,同时消除补偿电容引入的零点。改进后的CMOS二级运放电路如图2所示。本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/187565.htm
改进后的CMOS二级运放电路仍采用比例电流镜产生偏置电流,而比例电流镜系统由VM5、VM6、VM7、VM10、VM11和VM12构成。受到模型参数的影响,为了达到适合的电位,采用VM11和V12两个PMOS管共同作为等效电阻。电路的两级放大电路没有变化,仍是分别由VM5和VM7提供电流偏置。VM1、VM2和VM3、VM4构成带有源负载的差分输入级,第一级放大电路。VM7和VM9是个简单的带有源负载的共源放大器,第二级放大电路。两级放大电路之间加入由VM6和VM8组成的缓冲器。其中,VM6管提供电流偏置,而VM8管工作在共漏组态,增益为1,即源极跟随器。源极跟随器的存在使得密勒补偿电容和输出端不直接相连,同时实现了输出端至电容端的电位平移。频率提高到一定程度时,受到源跟随器的制约,密勒补偿电容无法将信号直接馈送到放大器输出端,从而克服了密勒补偿电容带来的前馈效应,也消除了零点,改善运放的稳定性。
2误差放大器参数设置
根据本设计的整体电路要求,误差放大器的性能指标设计目标设定如下:增益>60 dB,带宽>50 MHz,相位裕度>80°,静态电流200 μA。
1)首先确定工作点。已知电路是由5 V的单直流电源供电,为了使输出电压的摆幅尽可能大,则VM7管的直流工作区间应该设置在饱和区,应满足VG(M7)≥5 V+VTP条件。其中,VG(M7)是VM7的栅极电压,VTP是PMOS管的开启电压,估算值为-1 V,因此VG(M7)设计取值4V。
2)静态电流和功耗设计。静态电流要求在200μA以下,分配到各支路,应满足以下条件:
3)忽略沟道调制效应,确定MOS管的宽长比。因为要保证MOS管工作在饱和区,所以MOS管电流和管子宽长比有如下关系:
其中,ID是MOS漏电流,up是PMOS的空穴迁移率,Cox是单位面积栅极电容,VGS是MOS管的栅源电压,VTP是PMOS管的阈值电压。这些参数中,ID和VGS通过电路仿真测得,up、Cox和VTP的取值一般能在工艺文件中直接查到,也可以在电路里通过仿真、计算得出。以上参数确定后,可计算可得到MOS管的宽长比。
4)运放增益的计算方法如下:
其中,gm1和gm2分别是第一、第二级放大器的等效跨导,R1和R2分别是第一、第二级放大器的等效输出电阻,计算公式如下:
上面几个式子中,uN是NMOS管的电子迁移率,rds是各MOS管的源漏电阻。
3误差放大器仿真结果
在Cadence软件中搭建模拟仿真验证平台,在电源和地线之间接入5 V直流电压,误差放大器的正向输入端接入1.12 V的直流电压(这个电压取值在系统中由带隙基准电压源产生),反向输入端输入一个直流电位为1.12 V的正弦波。由于放大器的电压增益较大,如果正弦波的交流幅度较大,会使得输出出现失真,因此,这里将反相输入端的正弦波电压选取1 mV的交流幅度输入。
首先要进行直流工作点的验证。通过dc仿真,观测电路中的MOS管工作状态,如果有不在饱和区的管子,需要根据调整MOS管宽长比,直至所有管子的工作区(region)都显示为“2”。
直接测试电源电压端的电流值,即可得到误差放大器的静态总电流。测得这个电流值I为173.4μA,由此可计算出误差放大器的静态总功耗:
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