一種新型運算放大器的設計與仿真

林宇　劉潔　陳思琪　任燁磊　章惠

摘要：本文主要研究兩級放大器，因補償方式不同，而導致的增益，相位裕度，帶寬等參數變化，造成的穩定性的變化。通過既定的設計電路指標，計算出電路所需結構的理論參數，并用cadence仿真帶cascode補償的兩級運算放大器。通過設置變量，并用ADE中的掃描功能，觀察變量的不同參數值對該電路的穩定性相關參數的影響變化趨勢。經過分析，可以得出帶密勒補償的兩級運算放大器可以顯著補償零極點，帶調零電阻的兩級運算放大器可以抵消密勒電容，cascode補償結構的增益很小，但是會對補償PSRR。同時，密勒補償的電容值以及零點補償的補償電阻值的選擇，至關重要，影響補償“度”對帶寬有很大影響。

關鍵詞：電路;運算放大器;穩定性;補償

自運算放大器誕生以來，基于運算放大器的電路設計以及相關的制造工藝，都已取得了重大進展。運算放大器的經常會探究速度、功耗、增益、擺幅、噪聲等參數，但在實際設計中，這些參數相互牽制。設計過程中，明確最需要以及可以妥協的參數，對參數進行折中選擇也需要對這些參數進行分析，這些量的探討就是我們對運算放大器進行的穩定性分析。因此，本文主要對帶cascode（NMOS管和PMOS管級聯得來的結構）補償的兩級運算放大器進行研究與分析。

1、cascode補償結構

我們常用的經過密勒補償的兩級運算放大器，會引入右半平面零點，從而使運放的頻率響應的穩定性變差，除了加入調零電阻，我們也常用cascode compensation，即cascode補償的方法來調節穩定性。

當Cc位于X點，為密勒補償電路，當位于Y點，為cascode補償電路，該電路是通過cascode將由X點經由電容Cc到輸出的前饋通路截斷。

2、設計圖

設計參數同表1，優化后參數同表2，但該結構改善了M12管，使其工作在了飽和區，處在穩定工作狀態。

由于工藝庫以及實際的誤差等方面也會影響參數的大小，故我們需要在cadence中進行微調，來確保可以達到既定的設計指標。

3、電路仿真與優化

算放大器是由兩級或多級放大器構成的高增益放大器，每級放大器至少包含一個極點，而每一個極點產生的最大相移為90°。因此，兩級或多級放大器環路增益的總相移至少有兩個極點影響，而其在高頻時很可能達到或超過180°，此時如果環路增益的振幅大于0dB，則相位裕度變為零，即在低頻時的負反饋在高頻時變為正反饋，閉環系統不能穩定工作。因此，必須對環路增益加以修正，即進行相位補償，使得環路增益具有足夠的相位裕度，以保證閉環系統能夠穩定工作。運算放大器常用兩種相位補償方法——極點分離法和零點補償法。

（1）不同結構增益的對比

（2）帶cascode補償的兩級運算放大器改變電容對相位裕度的影響

帶cascode補償的兩級運算放大器改變電容對相位裕度的影響趨勢和折疊式兩級運算放大器的趨勢無差異，但可由參數對比知cascode補償的結構顯著的降低了相位裕度。

（3）電路對比

若看Cc=3pF時的參數對比，可得出，零點補償過后的二級運放電路的GBW最大，折疊式的最小。可知運算放大器的性能指標之間相互制約，折疊式的高增益是以犧牲GBW為代價得來的。同時由圖也可知，補償電阻值的選擇至關重要，零極點補償需精神選擇參數。

4、結論

cascode補償兩級運算放大器該電路的優點是，可以將密勒補償電容的前饋通路截斷，使PSRR得到改善。與密勒結構相比，其主極點的位置一樣，但cascode的非主極點較密勒補償的非主極點頻率更高，故cascode可以用相對較小的補償電容來達到同樣的頻率補償結果。

但是該電路的缺點是，原來的次主極點變為了一對共軛極點，而該極點的作用會導致gain-peaking，同時由于電容的作用，第二級放大管處于線性區，性能不穩定，以至于其放大的增益很低。

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項目支持：“基于Cadence的運算放大器穩定性研究”（編號：S202111116075）