二级密勒补偿运算放大器设计:过驱动电压与约束分析
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更新于2024-08-09
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"约束分析-px4飞控介绍"
本文主要探讨了运算放大器在设计过程中的关键考虑因素,特别是过驱动电压的影响以及约束分析。在运放设计中,过驱动电压是一个重要的参数,它对运放的性能有着显著影响。
过驱动电压(Overdrive Voltage)在多个方面决定着运放的性能。降低过驱动电压可以带来如下好处:
1. 增大共模输入范围,这是根据公式(3.1)得出的结论。
2. 提高输出摆幅,这由公式(3.2)所示。
3. 降低输入失调电压,如公式(3.10)所述。
4. 提高电压增益,这是根据公式(2.7)得出的。
5. 提升共模抑制比(CMRR),如公式(3.25)所示。
6. 增强负电源抑制比(Negative Power Supply Rejection Ratio, NPSRR),根据公式(3.37)。
7. 增大单位增益带宽(GBW),这是由公式(2.25)确定的。
然而,降低过驱动电压并非没有代价。它可能会降低MOS管的渡越频率,从而导致在GBW频率下可获得的最大电压摆幅减小,这一点可以通过公式(3.43)和(3.44)看出。此外,降低M1、M2的过驱动电压而增加M3、M4的过驱动电压,有助于降低低频运放的等效输入白噪声,这是根据公式(3.49)得出的。
在约束分析部分,文章强调了对称性和失调的平衡。为了保证对称性,MOS管的宽度和长度需要满足特定的关系,例如W1=W2,L1=L2,W3=W4,L3=L4。同时,设计中还需要考虑到无系统失调或工艺偏差的敏感性,这通过满足式(3.7)来实现。在偏置电路设计中,宽长比的匹配也很重要,例如(W/L)8=(W/L)9,(W/L)10=(W/L)11,而且可能简化设计,使得(W/L)12=4(W/L)13。M14的宽长比设计则需要考虑RHP零点补偿。
静态功耗是设计的另一个关键考量,目标是在2mW以内,电源电压为5V时,消耗电流需控制在400μA以内。通过设定M8的源漏电流IDS8为标准电流IB,并假设IDS5=k1IDS8,IDS7=k2IDS8,需要满足(4.1)式中的功率限制。
最后,电路的面积由14个MOS管面积、电阻RB和电容CC面积之和构成。MOS管面积包括栅面积和源、漏面积,即AMOS=AS+AD+WL。在Level 1模型中,这些参数需要根据库中的数据进行优化。
总结来说,本文深入解析了运算放大器的设计细节,尤其是过驱动电压的影响和设计约束,为理解运放性能提供了理论基础。无论是对新手还是经验丰富的设计师,这些知识都对设计出高性能、低功耗的运算放大器至关重要。
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杨_明
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