高频高增益OTA运算放大器的设计与Pspice仿真分析

简介：
本文介绍了设计高频高增益OTA运算放大器的方法，并通过Pspice软件进行了详细的仿真分析，探讨了其性能优化策略。 ### 高增益高频OTA运算放大器设计及Pspice仿真 #### 一、高增益运放概述 ##### 1.1 简单运算放大器结构 作为电子电路中的基本构建模块，运算放大器在众多应用领域中扮演着关键角色。其核心功能在于放大输入信号，并提供足够的驱动能力。最简单的形式是双端输入单端输出结构（图6-1），即两个输入端分别接收差分信号，而输出则是一个单一的信号。 对于这种简单结构的运算放大器，小信号增益可以通过公式估算：( g_{mn}(r_{on}||r_{op}) )。其中 ( g_{mn} ) 表示输入NMOS管的跨导，( r_{on} ) 和 ( r_{op} ) 分别表示NMOS和PMOS管的小信号阻抗，而 ( (r_{on}||r_{op}) ) 则代表放大器的输出阻抗。这种结构通常只能实现大约20dB至30dB的增益。 ##### 1.2 套筒式共源共栅结构 为了提高运算放大器的增益，一种常见的方法是采用套筒式共源共栅结构（图6-2）。通过增加输出阻抗来提升整体增益。具体来说，在输入NMOS管之后串联一个PMOS管作为共源共栅配置。这样做的结果是虽然输入管的跨导仍然是 ( g_{m1} )，但输出阻抗大大增加，从而实现了增益的提升。 在这种结构中，输出阻抗约为 ( (g_{m4}r_{o4})r_{o2}||(g_{m6}r_{o6})r_{o8} )。因此整个电路的增益可以表示为 ( g_{m1}[(g_{m4}r_{o4})r_{o2}||(g_{m6}r_{o6})r_{o8}] )，相较于简单的运算放大器结构能够轻松实现60dB至70dB以上的增益。 然而，套筒式结构存在一个明显的缺点——输出摆幅受限。这是由于电路中层叠了大量的晶体管，通常至少需要5个晶体管的漏源电压来确保输出电压的摆幅。此外，在双端转单端的过程中使用二极管接法会进一步减少电压裕度，最终导致输出电压摆幅为 ( V_{DD} - 4V_{GS} - V_{TH} )。 ##### 1.3 折叠式共源共栅结构 为了克服套筒式结构的局限性，折叠式共源共栅结构被提出并广泛应用于现代高增益运算放大器的设计中。与套筒式相比，这种设计不仅保持了高增益的优势，并且显著提高了输出摆幅和适用于单位增益缓冲器。 - **优点**：提供更大的输出摆幅。 - **适用性**：不仅可以用于高增益运算放大器，还适合于单位增益缓冲器的设计中。即使在输入端短接的情况下也能保持良好的工作状态。 #### 二、多级运算放大器设计 多级运放设计是指将多个单级放大器串联或级联起来以获得更高的增益和更宽的带宽。这种方式通常用于需要极高增益或者特定频率响应的应用场合。关键在于合理分配各个级别的增益，并有效地管理反馈路径，确保整个系统的稳定性。 #### 三、频率补偿 频率补偿是运算放大器设计中的一个重要环节，旨在通过调整放大器的频率特性来保证系统稳定。技术包括米勒效应和米勒补偿以及高级补偿电路等。 ##### 3.1 系统稳定性原理与分析 系统稳定性评估运放性能的关键因素之一。在运放中，系统的相位裕量和增益裕量决定了其稳定性状态。确保稳定的常用方法是采用适当的频率补偿技术。 ##### 3.2 米勒效应与米勒补偿 米勒效应是指由于寄生电容的存在，在运算放大器的输入端和输出端之间会产生相位变化，影响系统的稳定性。米勒补偿通过在放大器内部添加一个小电容来抵消这一效果，改善系统稳定性。 ##### 3.3 高级补偿电路 除了米勒补偿外，还有多种高级技术可以用于提高运算放大器的频率响应和稳定性控制。这些技术包括但不限于多极点补偿、有源零点补偿等。虽然复杂但能够在更广泛的频率范围内提供更好的稳定性控制。 #### 四、双端输入单端输出CMOS运算放大器设计实例 在实际应用中，双端输入单端输出的CMOS运放是一个非常实用的例子。这类放大器的设计需要平衡诸如增益、带宽和电源效率