一种受温度影响较小的运算放大器
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 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0TA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。正是由于这些原因,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。
![一种受温度影响较小的运算放大器](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20131227/208654_1_0.jpg)
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,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M4~M8组成,假设取M5,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 μm。同时为了减小短沟道效应,M4,M5栅长要稍微长点,取L=1 μm。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。
![一种受温度影响较小的运算放大器](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20131227/208654_1_1.jpg)
2.2 CMFB电路
CMFB的实现有连续时间方法和开关电容方法。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口。Vref是共模参考电平,这个电路和M13~M17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。
![一种受温度影响较小的运算放大器](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20131227/208654_1_2.jpg)
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。
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:
![一种受温度影响较小的运算放大器](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20131227/208654_1_3.jpg)
![](http://m.amcfsurvey.com/webstorage/images/display/reg.jpg)
评论