放大器的單端輸出改雙端輸出

w765432001

  c0 d4 s& l. c, I$ E8 z這是之前參考smith電子學上面的2 stage的運算放大器，
( y% H; K5 i# m3 E' |( v之前做過模擬，但現在因為要做別的應用，
需要將輸出改成雙端的，
! q; h; }. R, q) P, O有請教過學長，不過不知道是不是我模擬錯，
6 n! V# |% t/ q跑不太出來，
另外在Razavi的書上有看到雙端輸出的雙級放大器，
不過架構是另外一種，
0 v3 M* Q: {6 S1 x所以想請問看看如果本來是如上圖這樣的放大器，
該怎樣修改成雙端輸出，謝謝
附上本來單端模擬的spice
' R7 j8 Z0 N5 e; d, y! Y/ o是根據180nm製程模擬的。
: q' R* ]( o* ]$ x/ I* i3 k
vdd vdd gnd dc 1.8v
vss vss gnd dc 0v
Ibias vpg1 vss 15uA
6 u# V# c) R* {# q4 T2 Qr1 6 vpd5 3k
, c+ V9 R2 W! r# `Cc out 6 0.6pf
Cl out vss 1pf
m1 vpg1 vpg1 vdd vdd P_18 w=15u l=0.5u
m2 vpd2 vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
) ^& N) q) q( i- S8 E# P4 Xm3 out vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
m4 vpd4 vin1 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
4 d: D) p0 n+ W+ F, k8 gm5 vpd5 vin2 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
m7 vpd4 vpd4 vss vss N_18 w=15u l=0.5u
m8 vpd5 vpd4 vss vss N_18 w=15u l=0.5u
- |3 ^8 e8 E/ N0 R/ W, Tm9 out vpd5 vss vss N_18 w=30u l=0.5u

mbission

若要改成雙端輸出在第一級differential to single ended的地方必須改成皆為diode connected的load.
也就是改成第一級雙端輸出,第二級的部分則是copy一組原先的2nd stage的class A output stage即可.
differential output amplifier需有common mode feedback電路來確保inter-stage的common mode
& S: ]) w' [' X/ h9 R3 R7 C: d不至於飽和,需要sense output common mode電壓與一個參考電壓相比,透過負回授去控制output common mode值
9 K6 ?/ g+ x$ s0 U* W3 S% \. j

shaq

簡單來說，把右半部 copy 到左半部去，
; A/ `5 M) t9 _) e6 Z4 C
M1, M2, M3 再用同一個偏壓點拉。
M6,M7, M8 (左+右) 用 CMFB 去拉偏壓點。

w765432001

感謝mbission與shaq提供意見，
我重新接電路，如上圖這樣，然後我是只有把第一級接cmfb，
下面是我cmfb電路

- P0 a; @; \" L不過這樣想請問因為我用到mos開關，
通常我都用暫態在觀察，
而這樣我要如何量測op頻寬那些數據呢?
8 Z! I  `: b: N7 k% r因為頻寬spice通常都用ac觀察，
這樣開關該怎樣有作用。
: h0 k6 m! [- B1 t1 W' t順便想問看看我上面這樣接，有哪邊接錯嗎?
或是可能會有什麼問題，
因為我把op拿去放在取樣維持放大電路(SHA)裡面，
出來的結果沒有很理想，
$ r" A( f" p0 l5 N* }! {輸出都跟不上輸入，可能是頻寬不夠，
9 I1 v! H9 \6 T; Y/ p, |% ~! W# Q但我原來單端那個OP頻寬有到200MHz，
6 B' p5 W  [0 v1 g希望大家能給點建議，謝謝。

$ L9 p* S9 D1 r$ S模擬SHA結果
4 y7 e# K! _$ i" J2 h  p7 a) S' C

mbission

1.你的cmfb的電路接回amplifier點好像有誤,應該是cmfb那點接回去
8 @3 F8 L: ]4 m2.接回去的點好像也不對,要構成負回授
  j: L5 z% T/ R/ r8 z3.要先跑tran,找到穩定的dc點,再用設initial方式,把opamp differential
  input兩端及cmfb點設立初始值
再試一下吧

monkeybad

同意mbission
common mode feedback接的電壓有誤
另外如果是兩級的放大器 因為你都沒有採用diode接法
4 F& T0 t& M6 x5 ]/ T# a7 J所以這兩級應該都要加CMFB 以確保dc準位

w765432001

/ r& l; {; K2 t. k) t. a感謝mbission以及版主提供意見~
我後來將電路圖改成上面這樣，
$ \) W& `/ D8 z4 P* n後來請教我學長也發現cmfb應該接錯了，
那我改成上面這樣還會有問題嗎?
6 i; Y- l) }* e2 @8 s不過我只要接一個CMFB電路，
那要改成diode-connected，不過我改成這樣M6跟M7看起來好像怪怪的，
目前電路是這樣，還在模擬中，
有些還不是很懂，懇請賜教。

monkeybad

M6 M7改成diode connection就不用加CMFB了 因為就沒有所謂P電流源和N電流源平衡的問題
' x8 T7 e$ W" S. K: @! Y# H: \先弄懂為什麼要加CMFB的原因 Razavi書上有解釋可以看一下
: e3 R' r2 `/ N$ t5 w9 I所以若你電路改成這樣接 那Vcmfb應該改接在M1 M3的gate

mbission

如果你第一級欲採用diode connected架構,基本上主極點會在第二級
Miller補償也不需要了

w765432001

: u0 j! [+ |) g嗯嗯，我有去看了Razavi裡面提到的CMFB，
但對於VB跟vcmfb拉回的點還是不太了解，
$ _" ^/ h5 U+ I! J! K上圖我已經把M6和M7都改成diode-connected了，
9 |4 y: @* ?8 r# y) G而結合mbission的意見，我把補償電容跟電阻都拿掉了，
但這樣我CMFB電路裡面vb要用哪一個?
8 R& i  V$ Y( ^5 u  B如果vcmfb如版主所說，要給M1,M3的GATE，
我有試過vb選擇M2的gate，
然後拉cmfb到M1 M3的gate，
  b6 v* R5 E) I9 a0 S# J- I這樣輸出取樣的波形還滿正常的，但是好像速度不夠，
! D0 o& g0 j" J+ G( z5 U都跟不上輸入的值，

所以我懷疑我vb選錯了，
! ~& K% O: `! i9 @, K& n8 _或者是哪邊弄錯了，
我繼續看看書本，有些還不是很懂，
歡迎大家提供意見給我

chungming

您好
看到你的模擬圖後我到不覺得是速度不夠快
) e5 I2 G& i% I7 Z! ?' B: \因為沒有slew rate limit的感覺
; U$ F/ ~- p6 J每各step都有settling 到一各幾乎固定的值了
從圖上看起來當輸入訊號越大時,輸出和輸入的差異就越大
4 C  @' @5 {0 |2 h: i  V" z5 c. w但是又不是output siwng不夠(如果是output swing不夠 應該只有輸入訊號較大時才會有差異)
或許也有可能是你說的vb不對..但因為圖上沒標出vb vcmfb我也沒辦法猜
% ?3 T* \) Q1 A) @  l+ N# J所以........光從模擬結果來看
& N7 x  p+ O* s' g2 X有可能是OPA的gain不夠
; X' D: l) X; p3 w" I因為你的OTA是current mirror single stage OTA
gain ~ gm*B*ro , B是current mirror M7 & M8的比例
) p/ @# r5 O. s. s當gain不夠時輸入和輸出的deviation會變大...相信你知道這點
/ ~4 i- e8 y; V0 i2 c! r當然你的OTA的UGF也必須大過於switching frequency (if you use unit gain configuration to simulation it)
- z& y8 z( T4 a) c' @貼各paper給你參考
這各paper我曾經有使用過
不過沒用在向你那麼高的切換頻率下
paper中的UGF只有1.2M
我改到約4M左右
/ r1 l) V. j5 `% Y  k看你的切換頻率有20M這麼高
電流ㄍ一ㄥ一下或許有機會

mbission

你需要有一個bias電路產生Vb,準位要跟你要bias M1跟M3的GATE電壓接近,
然後接到cmfb電路中,在把經過 sample 後的CMFB點拉回M1跟M3 gate端,
# `- F: b2 C+ O4 M0 \) W+ |" E你可以先試著sample common點,看cmfb有沒有正常運作,正常情形下,
differential 兩端電壓應該會接近你的common,Vb會接近Vcmfb....

w765432001

感謝大家的意見，
我有大致調出我的op雙端輸出，
不過我拿去接取樣維持電路又感覺有些問題，
因為我第一級採用diode-connected的接法，
本來應該增益是gm4(ro4//ro6)
  C, E7 B" I& V5 Z/ a+ u0 v+ E6 l因為接成diode，反而變成gm4/gm6.....(這是因為diode，而1/gm6遠小於ro6並聯結果..希望我觀念沒錯)
5 y6 B! f4 H  m3 O$ M0 Y* N1 v9 v由於這樣所以我增益就被大大降低，
本來有60多dB就不見了，
那我該怎麼辦勒

/ H4 t! L3 t& G' h$ v還是我該用原先的架構接上兩個CMFB才能有高一點的增益
但是回授的觀念
% ~% f3 z4 `, X/ }8 k. z接上回授又會降低增益(1+AB)
接上兩組不就降更低
如果真的要接上兩組，那我是不是如同mbission說的
( x4 O; V" t7 _3 q/ }0 b一組接到M1&M3   那另一組就接到第一級的M2
這樣觀念對嗎?
那我M6&M7是不是該拆掉diode，然後gate端給偏壓值?
1 O8 f8 A' c  @然後在接上補償電容跟電阻。
這樣想法對嗎?

mbission

建議你把第二級改成cascoded的架構(如果headroom夠的話)
如此就不用改變CMFB的部份,gain也應該會提升20dB以上
8 a( j  ^# e. [: p  l' @
/ x) u" y) n. J, t5 Z* T+ S1 y. s6 r8 X另外導正你的觀念,所謂的回授路徑是存在於common mode path,對
) r  z; n9 X! s4 G2 E' s3 n4 asignal path gain 不會有太大的影響