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(lái)，MOS晶體管的尺寸已經(jīng)被大大縮小。門氧化層厚度、通道長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(wèn)題。文章一開(kāi)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(jiàn)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(wèn)題的使用方案的機(jī)制、各方面的折衷和優(yōu)勢(shì)。

　　電壓反饋放大器

　　圖1展示了一個(gè)EL5157的簡(jiǎn)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(lái)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(lái)講，在高阻抗節(jié)點(diǎn)上變成一個(gè)輸出信號(hào)的第二階電流源輸出阻抗會(huì)增加任何在信號(hào)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(jí)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。“理想的”運(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)洌谶@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(wèn)題，有多種非常著名的方案。