0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

采用共源共栅差分结构实现差分运算跨导放大器的设计

电子设计 来源:微电子学 作者:孙毛毛 , 冯全源 2021-03-09 10:38 次阅读

近十几年来,移动电话、掌上电脑、笔记本电脑等便携式设备及医疗、测试仪器的迅猛发展拉动了具有低压差、低功耗的LDO(Low Dropout)稳压器的快速发展。当前,LDO稳压器已经实现500mV以下的压差。在LDO稳压器中,电源是主要的噪声源。尤其在高频,电源电压的变化为系统稳定性带来的影响更大。误差放大器是LDO稳压器的重要组成部分,其稳定性与整个LDO稳压器系统的稳定性能密切相关。因此,研究电源电压变化对 LDO稳压器中误差放大器的影响是非常必要的。电源抑制比(PSRR)衡量模拟系统对抗电源噪声的能力,是放大器一个非常重要的性能指标。

本文设计的误差放大器为带共源共栅电流镜负载的共源共栅差分运算跨导放大器。它应用在一款超低功耗的LDO线性稳压器中,采用共源共栅差分结构,提高了 PSRR,低频达到119dB。同时,该放大器具有高共模抑制比(CMRR),低频达到106dB,静态电流不超过0.62μA。

OTA的设计与仿真

PSRR定义为输入端到输出端的电压增益与电源到输出端的电压增益之比,即

Gm(s)和Gmp(s)分别是输入端到输出端、电源到输出端之间的跨导。在LDO线性稳压器中,只有VDD一个低压电压源供电,因此,这里只讨论VDD的PSRR。

电流镜负载放大器是LDO线性稳压器中误差放大器的基本结构,如图1所示。VDD通过M3、M4,为输出端引入一个电流(go4+sCp4)VDD,通过M3、M1、M2,为输出端引入一个电流(go1+sCp1)VDD,则

式中,go为输出导纳,Cp=CGD+CDB。

图1基本电流镜负载差分电路

对这种结构的放大器的PSRR进行Spice仿真,如图2所示。从图2中可以看出,低频时的PSRR只能达到47.6dB,远远不能达到LDO线性稳压器的性能要求。从(2)式可以看出,减小M1、M4的输出导纳,可以提高低频时的PSRR,减小M1、M4的寄生电容,即减小MOS管的尺寸,可以提高高频时的PSRR。

采用共源共栅差分结构实现差分运算跨导放大器的设计

图2基本放大器的PSRR

图3一种共源共栅差分放大器电路

采用共源共栅结构,可以将输出导纳go减小至原来的go2/(gm2+gmb2)倍。图3是本文设计的一种应用于LDO线性稳压器的差分共源共栅OTA结构。它采用两级放大,第一级(M1~M8)采用共源共栅结构提高PSRR,第二级(M10、M11)为反相器结构。

按照文献介绍的方法,对于图3的放大器结构,在低频((f

式中,go1,3≈go2,4。

gox,y为共源共栅输出端的输出导纳,如前所述gox,y≈goxgoy/(gmy+gmby)。

在高频,由于各个MOS管的寄生电容的影响,各级的输出阻抗变小,从而使高频时的PSRR减小。考虑这些寄生电容的影响,则

从(7)式可知,影响高频时PSRR性能的主要是输出端的M10,因此,在设计放大器时,应尽量减小M10的尺寸。

图4本设计中放大器的PSRR

对图3的电路结构进行PSRR的Spice仿真,如图4所示。从图4中可以看到,在频率小于1kHz时,该放大器的PSRR值高达119dB。因此,该放大器满足LDO线性稳压器的性能要求。

在图5所示的LDO线性稳压器的电路结构中,误差放大器的输出端连接调整管(本设计中为PMOS管)。为获得低压差(Vdrop—out=RonIo),需要降低调整管的Ron。为达到这个目的,一方面需要增大PMOS晶体管的栅宽;另一方面,需要误差放大器具有较高的电压裕度。为获得高的PSRR,采用共源共栅结构,使电压裕度减少,输出电阻增大。输出电阻的增大,会使LDO线性稳压器的寄生极点

小于系统的UGF,从而影响整个LDO线性稳压器系统的稳定性。因此,在LDO线性稳压器中,虽然引入第二级放大器降低了高频时的PSRR,但为了减弱上述两方面的影响,引入第二级缓冲放大器还是必要的。

图5LDO线性稳压器的结构

LDO稳压器的PSRR分析与仿真

在LDO线性稳压器中,整个系统的开环增益(在图5中断开F处反馈时的开环增益)决定了低频时的PSRR;而高频时的PSRR主要受输出端的输出导纳、输出电容(很大)及调整管的栅2漏电容的影响。

图6是采用本文设计的共源共栅放大器的LDO线性稳压器的PSRR Spice仿真结果。从图中可以看出,频率在2kHz以内,整个LDO线性稳压器的PSRR约为99dB。该LDO线性稳压器中的调整管采用PMOS,因而带宽较窄。如要增大带宽,可使用NMOS调整管,但相应地,PSRR值会下降。

图6LDO线性稳压器的PSRR

结论

本文设计了一个具有高PSRR性能的共源共栅差分运算跨导放大器。Spice仿真结果表明,该放大器对电源波动的抑制能力与普通结构相比有显著提高,且电路结构简单,晶体管数量少,减小了静态电流,完全可满足超低功耗LDO线性稳压器的性能要求。该电路已经成功地应用在一个超低功耗LDO线性稳压器芯片中,市场反映良好。

责任编辑:gt

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 放大器
    +关注

    关注

    143

    文章

    13525

    浏览量

    212882
  • 稳压器
    +关注

    关注

    24

    文章

    4206

    浏览量

    93490
  • 仿真
    +关注

    关注

    50

    文章

    4020

    浏览量

    133328
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    分运算放大器结构框图解析 常见的全分运算放大器电路分析

    分运算放大器就是一种具有输入,输出结构
    发表于 09-25 17:34 9853次阅读
    全<b class='flag-5'>差</b><b class='flag-5'>分运算放大器</b><b class='flag-5'>结构</b>框图解析 常见的全<b class='flag-5'>差</b><b class='flag-5'>分运算放大器</b>电路分析

    放大器电路图分享

    放大器是一种特殊的放大器结构,它结合了
    的头像 发表于 02-19 16:15 3539次阅读
    <b class='flag-5'>共</b><b class='flag-5'>源</b><b class='flag-5'>共</b><b class='flag-5'>栅</b><b class='flag-5'>放大器</b>电路图分享

    请问怎么设计一种单级全增益增强的折叠运算放大器

    怎么设计一种单级全增益增强的折叠运算放大器
    发表于 04-20 06:26

    基于准浮的低功耗分运算放大器

    分析了准浮晶体管PMOS 的工作原理、电学特性和等效电路,设计了一种电路结构简单的模反馈电路(CMFB),实现了一个低压低功耗的
    发表于 11-27 11:39 8次下载

    一种高增益CMOS全分运算放大器的设计

    设计了一种用在高精度音频Σ-Δ A/D转换器中的高增益CMOS全分运算放大器。该运算放大器采用了套筒式
    发表于 07-29 17:23 51次下载

    折叠运算放大器原理及设计

    折叠运算放大器原理及设计 1 引言 本文介绍的运放是一种采用TSMC 0.18 μm
    发表于 03-12 15:05 1.2w次阅读
    折叠<b class='flag-5'>共</b><b class='flag-5'>源</b><b class='flag-5'>共</b><b class='flag-5'>栅</b><b class='flag-5'>运算放大器</b>原理及设计

    增益增强放大器的设计

    本文设计了一种采用增益增强结构的带开关电容模反馈的折叠式
    发表于 06-29 09:45 1.1w次阅读
    增益增强<b class='flag-5'>共</b><b class='flag-5'>源</b><b class='flag-5'>共</b><b class='flag-5'>栅</b><b class='flag-5'>放大器</b>的设计

    李福乐的全分运算放大器电子书

    电子发烧友为您提供了李福乐的全分运算放大器电子书,介绍了全 运算放大器 的基本知识,如对于全差分
    发表于 07-18 16:54 0次下载
    李福乐的全<b class='flag-5'>差</b><b class='flag-5'>分运算放大器</b>电子书

    一种高单位增益带宽CMOS全分运算放大器

    设计并讨论了一种高单位增益带宽cmos全分运算放大器。由于折叠
    发表于 07-31 21:51 115次下载

    运算放大器的设计

    运算放大器的设计
    发表于 03-05 15:00 9次下载

    折叠运算放大器的设计

    :折叠运放结构运算放大器可以使设计者优化二阶性能指标, 这一点在传统的两级
    发表于 07-08 16:32 21次下载

    放大器的特点是什么

    放大器是一种特殊的场效应晶体管(FET)放大器,它结合了
    的头像 发表于 09-27 09:38 346次阅读

    放大器增益偏小的原因

    放大器(Cascode)是一种在集成电路设计中常用的放大器
    的头像 发表于 09-27 09:46 336次阅读

    放大器的优缺点是什么

    放大器(Cascode amplifier)是一种在模拟电路设计中常用的放大器
    的头像 发表于 09-27 09:48 510次阅读

    折叠放大器的优缺点

    折叠放大器(Folded Cascode Amplifier)是一种在模拟集成电路设计中常用的
    的头像 发表于 09-27 09:50 522次阅读