多级运放频率补偿技术的研究(附件)【字数：8140】
摘 要随着电子器件尺寸的减小以及电压的降低，多级放大器包含了多个极点，使得电路变得不稳定。所以为了弥补多级运算放大器的不足，频率补偿结构的作用显得举足轻重。本文以放大器指标参数为中心，介绍了各种类型运算放大器，并且从理论上解释了两级放大器频率补偿的两类结构，并且选用消除右零点的补偿结构作为参考，对其进行仿真与分析。本文在两级CMOS运算放大器的第二级输入级接入消零电阻，新的频率补偿电路结构因而诞生。通过观察小信号，可以看到两个零点出现在电路图中，一个零点在频率较高的右半平面产生，另一个零点在左半平面产生，它是用来消除第一个次极点。最后，采用上华 0.5μm CMOS工艺设计并验证了该运放的性能指标。
目 录
第一章 绪论 1
1.1国内外研究情况 1
1.2研究的背景与意义 1
1.3本文的主要内容 2
第二章 运算放大器 3
2.1运算放大器的指标参数 3
2.1.1 3dB带宽 3
2.1.2开环差模电压增益 3
2.1.3压摆率 3
2.1.4输出摆幅 3
2.1.5噪声 4
2.1.6建立时间 4
2.1.7电源纹波抑制比 4
2.1.8共模抑制比 4
2.1.9功耗 5
2.2运算放大器各种类型 5
2.2.1共源共栅运放 5
2.2.2放大器的级联 7
第三章 二级运放的频率补偿结构 10
3.1简单密勒补偿结构 10
3.2消除右零点的补偿结构 11
第四章 转移零点来消除次极点的补偿电路的设计与仿真 13
4.1电路整体设计 13
4.2电路的模拟结果 16
第五章 结论 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1国内外研究情况
运算放大器诞生于20世纪，目前已经发展了多种型号，其中以CMOS类运放为核心。它拥有噪音小，在电压很低的情况下工作的优点，而且双极性运放的面积比 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
MOS放大器大得多。随着时代发展与进步，集成电路器件尺寸越来越小，对MOS管大小要求越来越严格，集成度较高的运放应运而生，完成信号放大的功能这对于集成运算放大器非常容易。
运放的类型可分为单极运放为主，二级运放次之。它们各有各的优点。单级运放由于稳定的缘故，频率补偿对它来说是画蛇添足的。二级运放则恰恰相反，补偿结构对其是否正常运行起到至关重要的作用，密勒补偿应运而生。它运用到调零电阻，补偿电容也必不可少。二者互相合作，由此二级运放得以正常发挥它的性能。
为了让增益最大化，运放的结构大都是采用多级级联，伴随着多种潮流的补偿电路不断涌现出来，稳定性的追求成为衡量放大器好坏的标准。稳定多级放大器在外国文献中大多用到了补偿理论来解决问题。然而，空有理论缺少实践实现不了放大器的稳定工作，由此导致错误的补偿参数层出不穷，频率补偿的作用得不到很好的体现。由于国内对低压运放的研究还处于初步阶段。国内需要继续探索，与时俱进。
1.2研究的背景与意义
运放是模拟电路设计中用途最多、最可靠的部件。系统的设计与模拟电路中离不开它高增益的身影。拥有足够大的开环增益是运算放大器中最重要的性能指标，
看重功耗成为电路设计必备环节之一，而降低电源电压成为降低功耗不可或缺的一部分。另一方面，电子器件尺寸越来越小，工作电压对于集成电路来说变得越来越低。在CMOS工艺日趋成熟的今天，人们研究的热点逐渐趋向于以CMOS技术为基础的低电压模拟电路的设计。
数字电路的基础是模拟电路，它的作用举足轻重。模拟信号可以作为大多数电子设备的原始信号。信号转变为模拟信号的过程是不可避免的，只有这样它们才能被认可。数字化的集成没有大家想象的曲折，最难的在于模拟部分的单片集成。对处于上升期的CMOS运算放大器而言，人们研究的热点逐渐趋向于以CMOS技术为基础的低电压模拟电路的设计。
但是，多余的极点与零点产生于多级运放的级联，而且零点和极点的分布很复杂，运算放大器的闭环稳定性受到了严重的影响，正是因为自激震荡所以电路无法工作。所以，未来深亚微米级电路的研究取决于频率补偿结构的设计。电路的信噪比要想提高，就需要频率补偿。所以电路设计中补偿结构的出现对于人们来说见怪不怪了。所以掌握运放的频率补偿结构具有深远的意义。
1.3本文的主要内容
运放的频率补偿是本论文的探讨核心。消除右零点的频率补偿电路的成功与否是论文完成的重中之重。电路是否符合标准离不开仿真软件的参考 ，所以Cadence软件的作用得到了体现。本论文通过改变补偿电容Cc的大小，分别求出开环直流增益ADC、单位增益带宽GBW和相位裕度PM的大小，由此得出仿真的结论。
论文的主要框架如下：
第一章绪论解释了运放频率补偿的背景以及论文的写作思路。
第二章主要描述运放的指标参数以及运放的种类从而引出运放的频率补偿。
第三章主要介绍二级运放简单密勒补偿结构与消除右零点的补偿结构和且计算出各个电路增益、极点的表达式。
第四章主要设计一种右零点消除次极点的二级运放补偿结构并且通过改变补偿电容Cc的大小对它各个性能指标进行仿真与分析，使得该补偿结构增益与相位裕度达到要求。
第五章进行总结分析。
第二章 运算放大器
2.1运算放大器的指标参数
2.1.1 3dB带宽
电路在高频率条件下，开环增益并不是一成不变的。随着工作频率越来越大，增益变小了。在一段区域内，运放平稳住了，把它叫做3dB带宽,如下图所示
/
图21 频率增益的趋势变化
此时电压增益降低3dB，带宽称为fH。
2.1.2开环差模电压增益
开环差模电压增益，通俗的来说，是指负载穿插于电路中，却没有反馈的情况发生，产生的放大倍数便是它。输出电压与它相辅相成。由于对自身要求严格，所以集成运放中随处可见它的踪迹。
2.1.3压摆率
运放工作在闭环下，在运放的输入处，接入了一个较大信号，由运放的输出端计算出来的上升速率便被定义为Sr，压摆率应运而生。计算方式如下
式（21）
目 录
第一章 绪论 1
1.1国内外研究情况 1
1.2研究的背景与意义 1
1.3本文的主要内容 2
第二章 运算放大器 3
2.1运算放大器的指标参数 3
2.1.1 3dB带宽 3
2.1.2开环差模电压增益 3
2.1.3压摆率 3
2.1.4输出摆幅 3
2.1.5噪声 4
2.1.6建立时间 4
2.1.7电源纹波抑制比 4
2.1.8共模抑制比 4
2.1.9功耗 5
2.2运算放大器各种类型 5
2.2.1共源共栅运放 5
2.2.2放大器的级联 7
第三章 二级运放的频率补偿结构 10
3.1简单密勒补偿结构 10
3.2消除右零点的补偿结构 11
第四章 转移零点来消除次极点的补偿电路的设计与仿真 13
4.1电路整体设计 13
4.2电路的模拟结果 16
第五章 结论 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1国内外研究情况
运算放大器诞生于20世纪，目前已经发展了多种型号，其中以CMOS类运放为核心。它拥有噪音小，在电压很低的情况下工作的优点，而且双极性运放的面积比 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
MOS放大器大得多。随着时代发展与进步，集成电路器件尺寸越来越小，对MOS管大小要求越来越严格，集成度较高的运放应运而生，完成信号放大的功能这对于集成运算放大器非常容易。
运放的类型可分为单极运放为主，二级运放次之。它们各有各的优点。单级运放由于稳定的缘故，频率补偿对它来说是画蛇添足的。二级运放则恰恰相反，补偿结构对其是否正常运行起到至关重要的作用，密勒补偿应运而生。它运用到调零电阻，补偿电容也必不可少。二者互相合作，由此二级运放得以正常发挥它的性能。
为了让增益最大化，运放的结构大都是采用多级级联，伴随着多种潮流的补偿电路不断涌现出来，稳定性的追求成为衡量放大器好坏的标准。稳定多级放大器在外国文献中大多用到了补偿理论来解决问题。然而，空有理论缺少实践实现不了放大器的稳定工作，由此导致错误的补偿参数层出不穷，频率补偿的作用得不到很好的体现。由于国内对低压运放的研究还处于初步阶段。国内需要继续探索，与时俱进。
1.2研究的背景与意义
运放是模拟电路设计中用途最多、最可靠的部件。系统的设计与模拟电路中离不开它高增益的身影。拥有足够大的开环增益是运算放大器中最重要的性能指标，
看重功耗成为电路设计必备环节之一，而降低电源电压成为降低功耗不可或缺的一部分。另一方面，电子器件尺寸越来越小，工作电压对于集成电路来说变得越来越低。在CMOS工艺日趋成熟的今天，人们研究的热点逐渐趋向于以CMOS技术为基础的低电压模拟电路的设计。
数字电路的基础是模拟电路，它的作用举足轻重。模拟信号可以作为大多数电子设备的原始信号。信号转变为模拟信号的过程是不可避免的，只有这样它们才能被认可。数字化的集成没有大家想象的曲折，最难的在于模拟部分的单片集成。对处于上升期的CMOS运算放大器而言，人们研究的热点逐渐趋向于以CMOS技术为基础的低电压模拟电路的设计。
但是，多余的极点与零点产生于多级运放的级联，而且零点和极点的分布很复杂，运算放大器的闭环稳定性受到了严重的影响，正是因为自激震荡所以电路无法工作。所以，未来深亚微米级电路的研究取决于频率补偿结构的设计。电路的信噪比要想提高，就需要频率补偿。所以电路设计中补偿结构的出现对于人们来说见怪不怪了。所以掌握运放的频率补偿结构具有深远的意义。
1.3本文的主要内容
运放的频率补偿是本论文的探讨核心。消除右零点的频率补偿电路的成功与否是论文完成的重中之重。电路是否符合标准离不开仿真软件的参考 ，所以Cadence软件的作用得到了体现。本论文通过改变补偿电容Cc的大小，分别求出开环直流增益ADC、单位增益带宽GBW和相位裕度PM的大小，由此得出仿真的结论。
论文的主要框架如下：
第一章绪论解释了运放频率补偿的背景以及论文的写作思路。
第二章主要描述运放的指标参数以及运放的种类从而引出运放的频率补偿。
第三章主要介绍二级运放简单密勒补偿结构与消除右零点的补偿结构和且计算出各个电路增益、极点的表达式。
第四章主要设计一种右零点消除次极点的二级运放补偿结构并且通过改变补偿电容Cc的大小对它各个性能指标进行仿真与分析，使得该补偿结构增益与相位裕度达到要求。
第五章进行总结分析。
第二章 运算放大器
2.1运算放大器的指标参数
2.1.1 3dB带宽
电路在高频率条件下，开环增益并不是一成不变的。随着工作频率越来越大，增益变小了。在一段区域内，运放平稳住了，把它叫做3dB带宽,如下图所示
/
图21 频率增益的趋势变化
此时电压增益降低3dB，带宽称为fH。
2.1.2开环差模电压增益
开环差模电压增益，通俗的来说，是指负载穿插于电路中，却没有反馈的情况发生，产生的放大倍数便是它。输出电压与它相辅相成。由于对自身要求严格，所以集成运放中随处可见它的踪迹。
2.1.3压摆率
运放工作在闭环下，在运放的输入处，接入了一个较大信号，由运放的输出端计算出来的上升速率便被定义为Sr，压摆率应运而生。计算方式如下
式（21）
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