該如何避免軌到軌CMOS放大器的不穩(wěn)定性

從數(shù)十年前被發(fā)明以來，MOS晶體管的尺寸已經(jīng)被大大縮小。門氧化層厚度、通道長度和寬度的降低，推動(dòng)了整體電路尺寸和功耗的大大減少。由于門氧化物厚度的減小，最大可容許電源電壓降低，而通道長度和寬度的縮減則縮小了產(chǎn)品的外形并加快了其速度性能。這些改進(jìn)推動(dòng)了高頻率CMOS軌到軌輸入/輸出放大器的性能發(fā)展，以滿足當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對于某種新型模擬電路日益增加的需求，這種電路必須能夠以和數(shù)字電路同樣低的電源電壓進(jìn)行工作。

　　本應(yīng)用筆記解答了有關(guān)最新一代CMOS軌到軌放大器的一些獨(dú)特問題。文章一開始大致討論并講述了傳統(tǒng)電壓反饋和電流反饋放大器電路的拓?fù)?，以及?dǎo)致反饋放大器振蕩的最常見原因。為了方便分析和討論，我們將CMOS軌到軌放大器電路分成4大塊：輸入、中間增益、輸出和反饋網(wǎng)絡(luò)階段。文中將展示每個(gè)階段受頻率影響的增益和相位移，隨后展示并討論一個(gè)包含了所有4大基本電路區(qū)塊的完整系統(tǒng)仿真。而第二部分則將展示并討論三種用于解決放大器振蕩問題的使用方案的機(jī)制、各方面的折衷和優(yōu)勢。

　　電壓反饋放大器

　　圖1展示了一個(gè)EL5157的簡化方案 － 這是一款非常流行的高帶寬電壓反饋放大器。這一方案采用一個(gè)經(jīng)典的差分輸入階來驅(qū)動(dòng)折疊的Cascode第二階，由第二階在高阻抗增益節(jié)點(diǎn)上將輸入階的差分電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流，該電流隨著放大器的高電壓增益而實(shí)現(xiàn)。從本質(zhì)上來講，在高阻抗節(jié)點(diǎn)上變成一個(gè)輸出信號的第二階電流源輸出阻抗會(huì)增加任何在信號通道晶體管內(nèi)產(chǎn)生的電流差距。輸出階是一個(gè)推挽式AB級緩沖器，將高電壓增益緩沖成放大器的單端輸出。

　　圖1：電壓反饋放大器

　　輸出感應(yīng)

　　感應(yīng)器是一種阻抗受頻率影響的電子元器件：低頻率時(shí)其阻抗較低，高頻率時(shí)阻抗則升高?！袄硐氲摹边\(yùn)算放大器輸出阻抗是零，但在實(shí)際中放大器的輸出阻抗是感應(yīng)式的，就像感應(yīng)器一樣會(huì)隨著頻率的增加而增加。圖2展示了EL5157的輸出阻抗。利用運(yùn)算放大器的應(yīng)用中所經(jīng)常遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)，就是驅(qū)動(dòng)一個(gè)電容性負(fù)載。之所以具有挑戰(zhàn)性，是因?yàn)檫\(yùn)算放大器的感應(yīng)輸出會(huì)與電容性負(fù)載聯(lián)合生成一個(gè)LC諧振回路拓?fù)?，而在這個(gè)拓?fù)渲须娙菪载?fù)載會(huì)與感應(yīng)式驅(qū)動(dòng)阻抗一起，當(dāng)反饋圍繞回路關(guān)閉時(shí)造成額外的相位滯后。相位余度的縮小有可能導(dǎo)致放大器的振蕩。在振蕩時(shí)，放大器會(huì)變得非常熱，甚至可能自毀。要解決這一問題，有多種非常著名的方案。