用于Sigma-Delta調(diào)制器的低電壓跨導(dǎo)運算放大器
1.2 電路結(jié)構(gòu)考慮
跨導(dǎo)運算放大器主要有兩級運放、增益增強型、套筒式共源共柵和折疊式共源共柵等。其中,在兩級放大結(jié)構(gòu)中,次極點頻率由負載電容決定,使其帶寬較小,速度受到限制,且功耗較大,電源抑制比和共模抑制比較差。套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)具有頻率特性好、功耗低等特點。然而,在低電源電壓下,其輸出擺幅和共模輸入范圍難以達到預(yù)期要求。增益增強型運放,雖然有著很高的直流增益但有著巨大的功率消耗,并不適用于該系統(tǒng)設(shè)計。綜合考慮,采用速度較快,輸出擺幅較大,共模輸入范圍廣,性能折中的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。本文引用地址:http://2s4d.com/article/187866.htm
2 電路分析與設(shè)計
2.1 折疊式共源共柵跨導(dǎo)運算放大器
折疊式共源共柵跨導(dǎo)運算放大器的輸入管有兩種選擇,NMOS輸入對管具有較高的跨導(dǎo),能使運放達到較高的直流增益,但需要采用PMOS作為共源共柵管。在同樣的偏置條件下,PMOS管的跨導(dǎo)為NMOS管的40%~50%,從而限制了運算放大器的次極點頻率。如果采用PMOS作為輸入級,運放則具有較低的噪聲和較高的次極點頻率,噪聲較低,但直流增益較小。由于本設(shè)計對直流增益要求不高。故采用PMOS輸入。跨導(dǎo)運算放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
VM1和VM2是PMOS輸入差分對管將輸入差分電壓轉(zhuǎn)化成差分電流,經(jīng)VM5和VM6后產(chǎn)生輸出電壓。VM11為長尾電流沉為輸入差分對管提供靜態(tài)工作電流,同時,提高輸入共模抑制比(CMRR)。對電路進行小信號分析,可得到折疊共源共柵運放的直流增益
式中,r0為MOS管小信號輸出電阻,與溝道長度成正比;gm是MOS管的跨導(dǎo)。
該運放的主極點為
在只考慮主要的電容即VM5的柵源電容時,次極點為
由式(5)可知,改變電路工作電流與負載電容同樣可以改變SR。本設(shè)計中負載電容CL取5pF,考慮到運放工作的穩(wěn)定性。必須保證運放的相位裕度PM大于60°。增大工作電流,將提高運放的直流增益與單位增益帶寬GBW,同時提高SR,但會導(dǎo)致PM下降電路功耗增加。所以運放的工作電流應(yīng)進行折中考慮。
2.2 共模反饋電路
全差分運放中運放反饋回路只提供差模電壓而不提供共模電壓,需要運用共模反饋電路(CMFB)來穩(wěn)定差分輸出信號的共模電壓,此電路如圖3所示。
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