一种高增益宽带宽的三级运算放大器设计(附件)【字数：12425】
摘 要运算放大器在电路中设计中应用十分普遍，尤其是混合系统和模拟系统中。伴随着集成电路工艺技术的迅猛发展，集成电路被广泛的应用于各种领域，作为集成电路的基础模块的运算放大器，得到越来越多的研究与改进。本文分析和比较了多种频率补偿方法，提出了在三级运算放大器中对于频率补偿的单电容前馈频率补偿方法。本文从二级、三级这两种多级放大器的各种频率补偿方式入手，研究了基本的米勒电容补偿、应用于多级放大器的嵌套式米勒补偿，以及单米勒电容频率补偿等几种频率补偿的方式，在此基础上提出了基于单米勒电容频率补偿的单电容前馈频率补偿方法SMFFC（Single Miller Capacitor Feedforward Frequency Compensation ），SMFFC只有一个补偿电容，版图的面积较小，而且该方法同时进一步提升了多级放大器的频率特性。本文采用的SMFFC结构同时利用了极点分离和前馈补偿两种电路补偿的方法，提升了电路的小信号和大信号的性能指标。最后，本文利用cadence仿真软件对电路的各项基本性能做了初步的仿真，仿真的结果表明，该电路结构拥有高的低频增益的同时还具有宽带宽的特性，同时仿真证明了在大的电容或电阻负载条件下，该运放仍然有较好的性能和稳定性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外研究历史与现状 3
1.3设计内容 4
1.4设计电路预期指标 4
第二章 运算放大器的频率补偿方式 6
2.1二级运算放大器的密勒补偿 6
2.2大容性负载三级运算放大器的频率补偿 7
2.2.1嵌套式米勒补偿（NMC） 8
2.2.2单米勒电容补偿（SMC） 11
第三章 单米勒电容前馈频率补偿（SMFFC） 13
3.1单米勒电容前馈补偿结构组成 13
3.2小信号分析 13
3.3稳定性研究 14
3.4相位裕度分析 14
3.5摆率与建立时间 15
第四章 SMFFC电路的设计 16
4.1SMFFC总体框架 16
4.2SMFFC电路设计 16
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
2.1基准电流电路 17
4.2.2输入级放大器设计 18
4.2.3前馈补偿电路的设计 19
4.2.4中间级与输出级设计 20
第五章 基于cadence的电路仿真 21
5.1基准电流源的仿真 21
5.2频率特性的仿真 21
5.3共模抑制比的仿真 23
5.4电源抑制比的仿真 24
5.5压摆率的仿真 25
5.6性能指标 26
5.7电路优化设计汇总 26
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1研究背景
以手机笔记本为代表的电子消费类产品的迅速发展和更新换代，为了满足人们不断更新的需求，推动了微电子技术的不断发展。随着集成电路技术的发展导致集成度的不断提高，体积和性能随之优化和提高，单片系统集成的重要性不言而喻。目前实际上，模拟和射频模块的单片集成是系统集成的难点。此外，我们知道模拟电路是数字电路的基础，模拟电路是联系数字电路和和实际信号之间的沟通桥梁，发挥着着无可替代的作用。因为待处理的信号（如电波、光线、声音）均为模拟信号，这些信号在经过数字信号处理模块（DSP）前必须要先经过模拟电路进行预处理，如放大、滤波等各种途径。处理后的信号通过模数转换器（ADC）转换为数字信号，再经过 DSP 进行处理。DSP 处理后的数字化信号再经过数模转换器（DAC）还原为模拟信号，但是DAC 输出的模拟信号驱动能力十分有限，就要加入放大电路增加驱动能力，信号才能被接收。过程如图 11所示，电信号的转换处理中的各个环节都少不了模拟电路的参加，所以说模拟电路在集成电路中是十分重要不可或缺的。
/
图11 电信号转换处理流程图
运算放大器在模拟电路应用广泛，比如高精度模数转换器的每一个积分器都少不了一个运算放大器的构成，在模拟滤波器里，运算放大器也是必不可少的组成部分，液晶显示面板LCD列驱动中需要大量的输出缓冲器来驱动负载。这些电路应用系统中，运算放大器需要驱动大小不等的容性负载，不同的电路对运算放大器的要求不一，相同的是了这些模拟系统的精度和速度取决于容性负载运算放大器的增益和单位增益带宽，所以增益和和带宽决定了运算放大器性能指标［１］。
/
图12 液晶显示面板驱动模型
下面为了分析增益和单位增益带宽对电压缓冲器两项性能指标的影响，负载电阻电容分别为和，主极点频率为，运算放大器的直流增益为，则开环传输函数为：
（1.1）
电压缓冲器传输函数如下：
（1.2）
其中 GBW 为运算放大器的单位增益带宽，为。从上式可以看出，GBW决定电压缓冲器极点，接着当输入为单位阶跃信号时，则输出信号为：
（1.3）
根据上式，当 t 趋近于无穷大时，那么静态误差为：
（1.4）
/
图13 建立时间和建立精度关系图
对于建立精度 D，所需要的建立时间为：
（1.5）
表 11 建立精度对应的建立时间
/
上述表 11体现了不同的建立精度对应着不同的建立时间。根据前文可以知道，电压跟随器所产生的的静态误差取决于运算放大器的增益大小。此外，单位增益的带宽还决定着建立时间，从上述公式可以看出，随着增益的加大，电压跟随器的静态误差逐渐减小，这二者形成反比关系。此外，单位增益带宽与建立时间呈反比关系，随着单位增益带宽加大建立时间逐渐缩短。根据以上讨论可以得出结论：电压跟随器的响应速度和精度取决于运算放大器的单位增益带宽及其增益，并且这2者呈现出反比关系。
在实际电路设计中，往往要求精度高，稳定性好及其他一些性能，这就造成设计中使用的放大器必须具备高增益，由于受到单个晶体管的本征增益的影响，单级放大器远远不能达到预期的理想，针对这种弊端，部分设计者运用共源共栅这一结构从而实现直流增益，但是它的输出确受到了极大的限制，远不能实现所要达到的效果。除此之外，我们知道，运算放大器的负载电容改变将直接影响到放大器的单位增益，并且还将对运算放大器的线性度产生干扰。通常情况下，为了运算放大器产生宽输出摆幅，实现高增益，往往使用两个放大器级联的方式。级联的目的是，一级产生高增益，一级实现宽摆幅输出。但是由于产生了另外的的增益级，这就会造成不一样的低频极点，放大器的稳定性将会有所影响。为此，加入频率补偿网络在电路中是必须要考虑的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外研究历史与现状 3
1.3设计内容 4
1.4设计电路预期指标 4
第二章 运算放大器的频率补偿方式 6
2.1二级运算放大器的密勒补偿 6
2.2大容性负载三级运算放大器的频率补偿 7
2.2.1嵌套式米勒补偿（NMC） 8
2.2.2单米勒电容补偿（SMC） 11
第三章 单米勒电容前馈频率补偿（SMFFC） 13
3.1单米勒电容前馈补偿结构组成 13
3.2小信号分析 13
3.3稳定性研究 14
3.4相位裕度分析 14
3.5摆率与建立时间 15
第四章 SMFFC电路的设计 16
4.1SMFFC总体框架 16
4.2SMFFC电路设计 16
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
2.1基准电流电路 17
4.2.2输入级放大器设计 18
4.2.3前馈补偿电路的设计 19
4.2.4中间级与输出级设计 20
第五章 基于cadence的电路仿真 21
5.1基准电流源的仿真 21
5.2频率特性的仿真 21
5.3共模抑制比的仿真 23
5.4电源抑制比的仿真 24
5.5压摆率的仿真 25
5.6性能指标 26
5.7电路优化设计汇总 26
结束语 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1研究背景
以手机笔记本为代表的电子消费类产品的迅速发展和更新换代，为了满足人们不断更新的需求，推动了微电子技术的不断发展。随着集成电路技术的发展导致集成度的不断提高，体积和性能随之优化和提高，单片系统集成的重要性不言而喻。目前实际上，模拟和射频模块的单片集成是系统集成的难点。此外，我们知道模拟电路是数字电路的基础，模拟电路是联系数字电路和和实际信号之间的沟通桥梁，发挥着着无可替代的作用。因为待处理的信号（如电波、光线、声音）均为模拟信号，这些信号在经过数字信号处理模块（DSP）前必须要先经过模拟电路进行预处理，如放大、滤波等各种途径。处理后的信号通过模数转换器（ADC）转换为数字信号，再经过 DSP 进行处理。DSP 处理后的数字化信号再经过数模转换器（DAC）还原为模拟信号，但是DAC 输出的模拟信号驱动能力十分有限，就要加入放大电路增加驱动能力，信号才能被接收。过程如图 11所示，电信号的转换处理中的各个环节都少不了模拟电路的参加，所以说模拟电路在集成电路中是十分重要不可或缺的。
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图11 电信号转换处理流程图
运算放大器在模拟电路应用广泛，比如高精度模数转换器的每一个积分器都少不了一个运算放大器的构成，在模拟滤波器里，运算放大器也是必不可少的组成部分，液晶显示面板LCD列驱动中需要大量的输出缓冲器来驱动负载。这些电路应用系统中，运算放大器需要驱动大小不等的容性负载，不同的电路对运算放大器的要求不一，相同的是了这些模拟系统的精度和速度取决于容性负载运算放大器的增益和单位增益带宽，所以增益和和带宽决定了运算放大器性能指标［１］。
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图12 液晶显示面板驱动模型
下面为了分析增益和单位增益带宽对电压缓冲器两项性能指标的影响，负载电阻电容分别为和，主极点频率为，运算放大器的直流增益为，则开环传输函数为：
（1.1）
电压缓冲器传输函数如下：
（1.2）
其中 GBW 为运算放大器的单位增益带宽，为。从上式可以看出，GBW决定电压缓冲器极点，接着当输入为单位阶跃信号时，则输出信号为：
（1.3）
根据上式，当 t 趋近于无穷大时，那么静态误差为：
（1.4）
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图13 建立时间和建立精度关系图
对于建立精度 D，所需要的建立时间为：
（1.5）
表 11 建立精度对应的建立时间
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上述表 11体现了不同的建立精度对应着不同的建立时间。根据前文可以知道，电压跟随器所产生的的静态误差取决于运算放大器的增益大小。此外，单位增益的带宽还决定着建立时间，从上述公式可以看出，随着增益的加大，电压跟随器的静态误差逐渐减小，这二者形成反比关系。此外，单位增益带宽与建立时间呈反比关系，随着单位增益带宽加大建立时间逐渐缩短。根据以上讨论可以得出结论：电压跟随器的响应速度和精度取决于运算放大器的单位增益带宽及其增益，并且这2者呈现出反比关系。
在实际电路设计中，往往要求精度高，稳定性好及其他一些性能，这就造成设计中使用的放大器必须具备高增益，由于受到单个晶体管的本征增益的影响，单级放大器远远不能达到预期的理想，针对这种弊端，部分设计者运用共源共栅这一结构从而实现直流增益，但是它的输出确受到了极大的限制，远不能实现所要达到的效果。除此之外，我们知道，运算放大器的负载电容改变将直接影响到放大器的单位增益，并且还将对运算放大器的线性度产生干扰。通常情况下，为了运算放大器产生宽输出摆幅，实现高增益，往往使用两个放大器级联的方式。级联的目的是，一级产生高增益，一级实现宽摆幅输出。但是由于产生了另外的的增益级，这就会造成不一样的低频极点，放大器的稳定性将会有所影响。为此，加入频率补偿网络在电路中是必须要考虑的。
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