基于GSMC 0.13 μm 工艺的低失调运算放大器设计

万成功,鲁佳慧,黄光明

(华中师范大学 物理科学与技术学院,湖北 武汉 430079)

斩波调制技术可以有效减小放大器的失调和失调温漂,但斩波调制会将失调调制到高频形成输出纹波,这增加了后级信号处理的难度[1-5]。为了减小输出纹波,最常用的方法是在斩波放大器后加低通滤波器,但这会限制运放的带宽[6-7]。文献[8]采用了纹波抑制环,将纹波重新调制回直流,用该直流电压补偿原始失调,从而减小纹波,但纹波抑制环路需要大的积分电容,增加了芯片面积;文献[9]采用了高通滤波的方法,在斩波解调器前加高通滤波器,抑制原始失调,进而减小纹波,但该方法会影响频率特性。当前的纹波抑制技术虽然能有效抑制斩波纹波,但仍会带来一些问题,如何更好地抑制斩波纹波依然是斩波放大器的研究重点。

本文为了减小斩波调制导致的输出纹波,采用了自动调零和斩波调制相结合的方法,先对放大器做一次失调消除,再对放大器做斩波调制,这样减小了原始失调,从而减小了输出纹波,该方法不需要大的积分电容且不会对频率特性造成影响;为了解除斩波调制对带宽的限制,本文采用了斩波稳零技术,将运放设计为复合路径放大器,低频高增益路径决定了失调,高频低增益路径拓展了带宽。

1 复合路径放大器

斩波调制会把直流失调和闪烁噪声调制到斩波频率,再经低通滤波将失调和闪烁噪声滤除,但这样会限制放大器的带宽[10]。为了解决这个问题可以采用失调稳定的方法,将运放设计为复合路径结构,运放由高频低增益的主路径和低频高增益的辅助路径构成。斩波调制和低通滤波器位于辅助路径中,运放带宽不受斩波调制影响。

图1 是复合路径放大器的原理图。运放主路径由放大器Ga、Gc串联组成,辅助路径由斩波调制器、放大器Gb、斩波解调器、低通滤波器、放大器Gc串联组成。

图1 复合路径放大器Fig.1 Multipath amplifier

放大器Gb有着很高的直流增益,放大器Gb的直流增益远大于放大器Ga,则运放的低频增益由放大器Gb决定,运放的直流失调也由放大器Gb决定。放大器Ga的输入等效失调电压Vos经放大器Ga放大后,其输出失调电压为AaVos,假设放大器Gb经斩波调制后失调电压为零,则放大器Ga输出的直流失调等效到放大器Gb的输入端为:

式中:Aa、Ab分别为放大器Ga、Gb的直流增益。由于放大器Gb决定了运放的整体失调,放大器Gb的输入等效失调电压可以看作运放整体的输入等效失调电压,整体运放的失调被抑制。为了得到更好的失调抑制效果,辅助路径的直流增益要远高于主路径。运放辅助路径采用了四级放大器级联,且辅助路径前两级为全差分折叠共源共栅结构,相对于只有两级的主路径,辅助路径具有更高的直流增益。

辅助路径的失调会等效到运放输入端,但辅助路径的失调被斩波调制技术减小,其失调是μV 级的,对运放整体失调影响较小。

2 辅助路径失调补偿

斩波调制可以减小辅助路径的失调,但是会产生输出纹波。为了减小运放输出纹波,辅助路径采用自动调零和斩波调制相结合的方法[11]。斩波调制将直流失调调制到高频,从而形成输出纹波。先对放大器进行自动调零,可以减小放大器的初始失调,再对放大器做斩波调制,从而减小输出纹波。自动调零放大器不能连续放大信号,本文采用Ping-pong 自动调零结构,以保证放大器能够连续放大信号[12]。

图2(a)是辅助路径第一级放大器的结构图,该级放大器结合了斩波调制和自动调零,图中时钟Fc控制斩波开关,时钟Faz1和Faz2控制Ping-pong 自动调零开关。图2(b)是斩波开关的电路图,图2(c)是斩波时钟Fc、自动调零时钟Faz1和Faz2的时序图。在时钟Faz1为高,Faz2为低时,放大器G11连入信号路径,G11放大信号,放大器G12从信号路径断开,G12进入调零状态;在时钟Faz1为低,Faz2为高时,放大器G11从信号路径断开,G11进入调零状态,放大器G12连入信号路径,G12放大信号。经过调零后,调零电容上的电压为:

图2 辅助路径第一级放大器。(a)原理图;(b)斩波开关;(c)自动调零和斩波调制时序图Fig.2 First amplifier in the auxiliary path.(a) Schematic diagram;(b) Chopping switch;(c) Timing diagram of auto-zeroing and chopping modulation

即

在放大状态下,放大器的输出为:

则残余失调为:

式中:VC为调零电容Caz1或Caz2稳定时的电压;Vin为Ping-pong 放大器输入电压;Vout为Ping-pong 放大器输出电压;Vos,res为Ping-pong 放大器残余输入等效失调电压;Vos1为放大器G11和G12的输入等效失调电压;Vos2为放大器G21和G22的输入等效失调电压;A1为放大器G11和G12的直流增益;A2为放大器G21和G22的直流增益。

斩波开关加在Ping-pong 自动调零放大器的输入、输出端。斩波纹波的幅度与放大器失调电压成正比。当斩波频率低于闭环带宽,放大器的输出纹波为:

式中:ACL为放大器的闭环放大倍数;Vos,res为自动调零的残余失调;乘以系数2 是为了得到输出纹波的峰峰值。由于自动调零减小了放大器的原始失调,输出纹波被抑制。

3 频率补偿

运放采用复合路径结构,且辅助路径由四级放大器级联,每级放大器输出都贡献一个极点,运放需要频率补偿来保证稳定性。运放采用复合路径混合嵌套米勒补偿的方法[13]来实现频率补偿。

图3 是运放的频率补偿示意图。运放主路径由两级放大器Ga、Gc级联组成,辅助路径由四级放大器Gb1、Gb2、Gb3、Gc级联组成,图中6个电容Cm11、Cm12、Cm21、Cm22、Cm31、Cm32为米勒补偿电容,Cm11和Cm12的容值为C1,Cm21和Cm22的容值为C2,Cm31和Cm32的容值为C3。

图3 运放频率补偿Fig.3 Frequency compensation of the operational amplifier

图4 展示了米勒补偿电容对运放极点的影响。未加米勒补偿前,运放主要有四个极点,分别为各级放大器的输出极点:放大器Gb1的输出极点p4-0,放大器Gb2的输出极点p3-0,放大器Gb3和放大器Ga的输出极点p2-0,放大器Gc的输出极点p1-0。将放大器Gb3和Gc看作一个二级放大器,米勒补偿电容Cm11和Cm12将极点p1-0推到高频,形成极点p1-1,并将极点p2-0推到低频,形成极点p2-1;将放大器Gb1和Gb2看作一个二级放大器,米勒补偿电容Cm21和Cm22将极点p4-0推到低频,形成极点p4-1,将极点p3-0推到高频,形成极点p3-1;将放大器Gb2、Gb3、Gc看作一个放大器,放大器Gb1与这个放大器级联,构成一个二级放大器,米勒补偿电容Cm31和Cm32将极点p4-1推到低频,形成极点p4-2,将极点p2-1推到高频,形成极点p2-2。经过复合路径混合嵌套米勒补偿,运放的单位增益带宽内只有一个极点p4-2,其他极点都被推到单位增益带宽外,运放的稳定性得到保证。

图4 运放极点随米勒补偿的变化Fig.4 Changes of poles with Miller compensation

运放经过补偿后各极点频率为:

放大器的增益带宽积为:

式中:gm1、gm2、gm3、gm4、gm5分别为放大器Gc、Gb3、Gb2、Gb1、Ga的输入级跨导;CL为运放的负载电容;ALFP0为低频路径的直流增益。

为了保证运放的相位裕度大于60°,米勒补偿电容与各级放大器的跨导需满足公式(12)的要求:

即

且要满足:

4 仿真结果与分析

图5 是运放整体电路,运放版图设计基于华虹宏力(GSMC) 0.13 μm CMOS 工艺,版图的核心尺寸为630 μm×630 μm。运放经过Calibre 提参后,通过Spectre 进行后仿真。运放后仿真结果如表1 所示。

表1 运放后仿真结果Tab.1 Post-simulation results of operational amplifier

图5 运放整体电路Fig.5 Overall circuit of operational amplifier

运放频率特性如图6 所示,运放单位增益带宽为3.53 MHz,相位裕度为65.8°,复合路径混合嵌套米勒补偿有效地保证了运放稳定性。

图6 运放频率特性Fig.6 Frequency characteristic of operational amplifier

对运放进行蒙特卡罗仿真,仿真次数为500。图7是蒙特卡罗仿真下,运放输入等效失调电压分布图,运放输入等效失调电压的最大值为15.8 μV,平均值为5.8 μV,3σ值为9.3 μV。运放输出纹波等效到输入小于175 μV。

图7 输入等效失调电压Fig.7 Histogram of offset voltage

瞬态仿真验证运放可以放大频率超过斩波频率的信号,复合路径结构解除了斩波调制导致的带宽限制。

表2 将本文设计的运放与国内同类运放进行性能参数对比,本文设计的运放失调较小。虽然文献[14]失调电压更小,但未考虑纹波,而本文抑制了斩波纹波。虽然本文的单位增益带宽较小,但可以放大频率超过斩波频率的信号。

表2 低失调运放的对比Tab.2 Comparison of low offset operational amplifiers

5 结论

本文针对斩波调制的不足,将复合路径、自动调零、斩波调制相融合,减小了输出纹波,并解除了带宽限制。本文设计的低失调运放的等效输入失调电压小于15.8 μV,纹波等效到输入小于175 μV。本文研究验证了自动调零结合斩波调制的纹波抑制能力,设计的运放能够实现亚毫伏低频信号的放大,具有广泛的实用价值。