《电子技术应用》
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一种高效率的ACBC-C三级运放的设计
2020年电子技术应用第6期
和 雨，肖知明，王 宇，胡伟波
南开大学 电子信息与光学工程学院，天津300350
摘要： 采用TSMC 180 nm的CMOS工艺，设计实现了一个具有高效率、大的电容负载驱动能力的三级运算放大器。提出了一种基于共源共栅密勒补偿(Cascode Miller Compensation，CMC)和交流升压补偿(AC Boosting Compensation，ACBC)的ACBC-C补偿结构，其中，ACBC通过增加一条交流通路的方式提高了GBW以及电容驱动能力。输出级采用AB类结构以实现高效率。CMC可以适应AB类输出级结构，在保证线性度的同时实现效率最大化，并且消除密勒电容带来的零点，更好地对稳定性进行补偿。电路仿真结果表明：当设定相位裕度下限为45°时，最大可承受负载电容约为3 100 pF；当在输出端接1 000 Ω负载电阻时，电路效率为95.299%。
中图分类号： TN432
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191370
中文引用格式： 和雨，肖知明，王宇，等. 一种高效率的ACBC-C三级运放的设计[J].电子技术应用，2020，46(6)：36-39，50.
英文引用格式： He Yu，Xiao Zhiming，Wang Yu，et al. Design of a high-efficiency ACBC-C three-stage operational amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(6)：36-39，50.
Design of a high-efficiency ACBC-C three-stage operational amplifier
He Yu，Xiao Zhiming，Wang Yu，Hu Weibo
College of Electronic Information and Optical Engineering，Nankai University，Tianjin 300350，China
Abstract： Using TSMC 180 nm CMOS technology, a three-stage operational amplifier with high efficiency and large capacitive load driving capability is designed and implemented. This paper proposes an ACBC-C compensation structure based on CMC(Cascode Miller Compensation) and ACBC(AC Boosting Compensation). Among them, ACBC by adding an AC path increases the GBW and the capacitive driving ability. The output stage uses a class AB structure to achieve high efficiency. And CMC can adapt to the class AB output stage structure, maximize efficiency while keeping great linearity, and remove the zero caused by Miller capacitor, and better compensate the stability. The simulation results show that when the phase margin is set to 45 degrees, the maximum load capacity can be as high as 3 100 pF, and that when a 1 000 Ω load resistor is connected to the output, the circuit efficiency achieves 95.299%.
Key words : capacitive load driving capability；class AB output stage；AC boosting compensation；cascode Miller compensation

0 引言

    随着半导体工艺节点的下降，芯片的电源电压越来越低。越低的电源电压就意味着许多传统的电路结构变得不再适用[1]。放大器是模拟集成电路领域的一个重要模块之一，放大器的增益可以通过在输出级使用共源共栅结构来提高，但是随着电源电压的下降，共源共栅结构会严重限制输出电压摆幅[2]。在适应摩尔定律的同时，许多可替代的电路结构不断涌现。多级运放可以保证在足够大的输出电压摆幅的同时提高增益。但是每增加一级放大级，至少会产生一个高阻抗点，进而引入一个极点，过多的极点会极大地影响放大器的稳定性。因此，多级运放的频率补偿变得尤为重要。极点分离是频率补偿过程中的常用手段之一，通过改变电容来改变主极点和其他非主极点的位置可以达到极点分离的效果。针对三级运放，嵌套密勒补偿(Nested Miller Compensation，NMC)是最常用的补偿方式之一，只需两个密勒电容，就可以达到稳定电路的目的。但是嵌套密勒补偿是以牺牲GBW为代价的，并且这种补偿方式适用的负载电容范围很小[3]。此外，如果要增大负载电容范围，需要增大内部密勒电容的尺寸，相应的芯片面积也会增大。为了解决这些问题，许多新的补偿方式被提出，阻尼因子控制频率补偿(Damping-Factor-Control Frequency-Compensation，DFCFC)通过增加一个阻尼网络的方式，极大地提高了GBW，但是DFCFC适用于大负载电容的情况下，对于较小的负载电容，DFCFC并没有表现出良好的特性[3]。ACBC补偿[4]通过增加一条交流通路的方式，也极大地提高了GBW，并且在NMC的基础上，拓宽了可承受负载电容范围，表现出非常优越的特性。但是ACBC补偿结构中的密勒电容会引入一个右半平面零点，该零点对稳定性具有负影响。CMC可以在不增加额外的消零电阻以及前馈通路的同时消除该右半平面零点[5]。本文创新性地提出将ACBC与CMC结合，形成ACBC-C结构，并研究其优越特性。

    此外，高效率也是运算放大器的衡量指标之一，高效率代表电路中大多数的功耗都来自于负载，很少有功率的浪费。AB类放大器相比A类放大器具有较高的效率，所以本电路采用AB类输出结构。AB类输出结构形成了推挽式输出，也适用于上述的ACBC-C补偿结构。所以本文针对具有高效率的ACBC-C三级运放进行分析和仿真。




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作者信息:

和  雨，肖知明，王  宇，胡伟波

(南开大学 电子信息与光学工程学院，天津300350)

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