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运算放大器自1963年问世以来,已经走过了40余年的发展道路,并已经成为所有线性系统中的实际意义上的标准部件。目前几乎每个大型半导体制造商的产品线中都有运算放大器这种产品。现今的运算放大器可以起到放大器、缓冲器、比较器、差分放大器、积分器、电平转换器、峰值检波器、滤波器等很多功能。其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域,几乎每个电子产品都离不开运算放大器,运算放大器在电子产品设计中发挥着巨大的作用。
在运算放大器的实际应用中,经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、系统稳定性等方面的问题。在驱动电容负载的应用中,如低压降稳压器,音频放大器等,系统稳定性一直以来是很棘手的问题。各种新的频率补偿方法应运而生,在确定负载电容大小的情况下,提高放大器的各项性能指标。然而所驱动的电容负载多为定值,如何保证在宽范围可变电容负载的情况下,系统仍然稳定是现今研究放大器频率补偿领域的一个重要课题。为了保证放大器的精度,直流增益作为一个重要的指标也是需要考虑的对象。然而由于稳定性的要求,其直流增益又受到一定限制。因此,研究和发展能驱动宽范围电容负载的高精度运算放大器,具有很好的理论研究价值和重要的应用背景。
基于上述研究背景,本论文对驱动宽范围电容负载的运算放大器进行了设计研究,工作如下:
1、总结现有多级运算放大器的频率补偿技术,并针对稳定条件进行了详细研究。在此基础上对驱动宽范围负载电容的多级运算放大器,提出“抑制”的概念提高稳定性。
2、在此概念的基础上进行数学建模,并进行理论分析,通过计算相位裕度的数学表达式有力证明这种新的频率补偿结构的有效性。
3、基于这一设想提出了抑制多径嵌套式密勒补偿(QMNMC:QuenchedMulti-path Nested Miller Compensation),分布式电阻电容网络抑制多径嵌套式密勒补偿(DQMNMC:Distributed RC Network Quenched Multi-path Nested MilletCompensation),抑制多径混合嵌套式密勒补偿(QMHNMC:Quenched Multi-pathHybrid Nested Miller Compensation)三种新的频率补偿拓扑结构。
4、根据抑制多径嵌套式密勒补偿(QMNMC)的系统结构,采用IMEC3.3V-5V,两层金属,CMOS 0.7-μm工艺设计制造了样品芯片。测试结果表明抑制技术对于宽范围电容负载的稳定性有明显改善,在直流增益为90dg的情况下,负载电容从100pF到100μF,最小相位裕度为26度。该电路工作在3.3V电压下,功耗480μW,100pF负载条件下,单位增益带宽为1MHz。