[发明专利]翻转网络跨导-电容补偿电路

说明书

技术领域

本发明涉及互补金属氧化物半导体晶体管(Complementary Metal Oxide Semiconductor，以下简称CMOS)集成跨导放大器设计领域，特别是一种翻 转网络跨导-电容补偿(Reversed Nested Gm-C Compensation，以下简称 RNGCC)电路。

背景技术

近几年来，随着深亚微米集成电路工艺技术和消费电子设备产业的飞速 发展，全球电子市场也空前繁荣起来。消费电子设备包括手持通信娱乐、有 线宽带互联网接入、医疗器械等等，具有相当广阔的市场潜力和发展前景。 更强功能、更长工作时间的产品将会在电子市场中抢占先机，因此高性能低 功耗的数字和模拟电路设计正成为目前研究的热点。在这些应用系统中，电 源管理系统已成为当前集成电路产业发展中重点攻关课题。在各种电压转换 结构中，低压差(Low Dropout，以下简称LDO)线性电压转换器的优势明 显，可以在较低的噪声输出以及在不同负载的条件下具有稳定性好的特点。 图1为典型LDO结构的示意图，如图1所示，PMOS晶体管作为误差放大器的 负载，其面积非常大，在通常CMOS 0.5μm工艺中W＝41000μm，L＝1μm的PMOS 晶体管在Vgs偏压1.2V时的栅极寄生电容大于100pF，也就是误差放大器必 须能驱动这么大的输出负载电容。并且要求LDO的稳压特性好，对其中的误 差放大器的增益要求很高(增益大于100dB)。在LDO中的误差放大器要具有 高增益、宽带宽的特点。

跨导(gm)放大器是LDO的关键组件之一。随着CMOS工艺的不断更新， 电源电压和晶体管特征尺寸的减小使得放大器的设计越来越复杂。传统的层 叠(cascode)结构跨导放大器可以很容易的得到高输出阻抗和大带宽；当电 源电压降低，可以利用的电压余度越来越小时，折叠结构得到了更广泛的应 用；而当电源电压降到低于1.8V时，由于信号摆幅的大幅度降低，这两种结 构的电路性能下降甚至不能工作，这给未来的模拟电路设计提出了巨大的挑 战。多级跨导放大器采用多级增益级单元来提高跨导放大器的增益，但是每 级的输出电阻和电容都会产生极点从而影响电路的稳定性，因此多级跨导放 大器往往采用各种复杂的补偿技术来提高系统的稳定性，对设计的要求也越 来越高，但多级跨导放大器是未来低压、高增益、宽带宽放大器的必然选择。 多级运算放大器的优点主要表现在以下三个方面：

(1)电源电压低

随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小，电源电压不断降低，而多级跨导放 大器就是在低电源电压的要求下产生的一种高性能跨导放大器，结构简单， 输出电压摆幅大，非常适用于模拟系统的低功耗设计。目前文献中的多级跨 导运算放大器一般工作电源电压为1.5V-2V，电源电压还有下降的空间，是 未来高性能跨导放大器设计的主流方向。

(2)增益高

传统的两级结构放大器的增益一般为40-60dB，层叠结构一般为 60-80dB，而多级跨导放大器由于采用了多级增益级，极大的增加了系统的直 流增益，一般多级放大器的增益在100dB以上。多级级联是提高系统的直流 增益是低电源电压下必然发展趋势。

(3)驱动能力强

层叠结构放大器的高输出阻抗提供了主极点，而在多级放大器结构中存 在多个极点且输出阻抗远远低于层叠结构，由于单级放大器的增益随着工艺 尺寸的减小而迅速降低，这使得通过密勒电容补偿技术来达到非主极点远离 单位增益带宽的方法非常困难，因此一些补偿技术在选择输出极点为主极点 的同时也要求负载电容取较大的值(100pF以上)。

目前已经提出了多种频率补偿技术来解决多级跨导放大器多极点造成的 闭环稳定性问题。

网络密勒电容补偿(NMC)技术是最广泛使用的极点分割技术，它通过多 级间的密勒补偿电容简化了电路的设计，但是存在两个问题。首先，放大器 的带宽随着增益级的在增加而显著降低，特别的是，三级NMC跨导放大器的 带宽只有单级的四分之一，其主要原因是补偿电容都直接叠加在负载电容上； 其次NMC会带来右半平面零点(RHP zero)，为了确保系统稳定必须使放大器 的输出跨导尽可能大，系统功耗就很大。