放大器的單端輸出改雙端輸出

w765432001

3 S( Y; X/ K/ ]6 K9 @( |' g這是之前參考smith電子學上面的2 stage的運算放大器，
" N( @4 k- J3 J* S& c, G& r5 B( y! B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，
有請教過學長，不過不知道是不是我模擬錯，
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，
$ ~8 M4 t7 g' c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
7 \; T* {# `$ ^( m7 j是根據180nm製程模擬的。
% q2 \7 q+ c3 c+ P% h
vdd vdd gnd dc 1.8v
vss vss gnd dc 0v
Ibias vpg1 vss 15uA
r1 6 vpd5 3k
Cc out 6 0.6pf
2 q* G1 n7 o; F' v' lCl out vss 1pf
m1 vpg1 vpg1 vdd vdd P_18 w=15u l=0.5u
8 l2 I* m, C1 T7 |( vm2 vpd2 vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
* {  S, `1 b! W4 j/ ^( m( om3 out vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
m4 vpd4 vin1 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
m5 vpd5 vin2 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
  ?- R  o% s. l) l  P4 _; Q$ E/ xm7 vpd4 vpd4 vss vss N_18 w=15u l=0.5u
m8 vpd5 vpd4 vss vss N_18 w=15u l=0.5u
m9 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.
2 H& v& d' o7 k0 e3 W# K8 C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.
: D. s) c% y6 @) odifferential output amplifier需有common mode feedback電路來確保inter-stage的common mode
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
( E4 @0 Z! p( P3 \2 Q6 A) }8 q

shaq

簡單來說，把右半部 copy 到左半部去，
$ t! s: p1 X% n* X4 x. u
M1, M2, M3 再用同一個偏壓點拉。
/ {5 G2 n, p& T, R, p( QM6,M7, M8 (左+右) 用 CMFB 去拉偏壓點。

w765432001

感謝mbission與shaq提供意見，
" A! J2 E  c3 h# U: d我重新接電路，如上圖這樣，然後我是只有把第一級接cmfb，
" c3 j( D5 s; G1 N  y: M' S2 {: J下面是我cmfb電路

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?
2 m& Z9 n& Q6 p) H因為頻寬spice通常都用ac觀察，
+ G. a( W1 A* _8 @6 V4 r這樣開關該怎樣有作用。
; ~+ @# Z9 U2 @8 r) I3 W0 X順便想問看看我上面這樣接，有哪邊接錯嗎?
3 U! e  y/ t% a$ l3 h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，
輸出都跟不上輸入，可能是頻寬不夠，
但我原來單端那個OP頻寬有到200MHz，
希望大家能給點建議，謝謝。
. m( r* h0 i! Y
模擬SHA結果

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
. i! l- q+ A5 O/ b8 ~; P2.接回去的點好像也不對,要構成負回授
3.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
: i% N/ a( i& ]6 K; U# `再試一下吧

monkeybad

同意mbission
' K* S9 B% |+ y3 }9 K6 l0 q/ ycommon mode feedback接的電壓有誤
( _+ {+ Z. n; W$ Z另外如果是兩級的放大器 因為你都沒有採用diode接法
+ q3 F% o% f8 `9 K0 A所以這兩級應該都要加CMFB 以確保dc準位

w765432001

6 W; G; x1 c; Z" N0 [7 J感謝mbission以及版主提供意見~
7 _9 Q: p6 e: p1 ~我後來將電路圖改成上面這樣，
後來請教我學長也發現cmfb應該接錯了，
; s+ k6 m' q0 Y+ I+ U& B/ z那我改成上面這樣還會有問題嗎?
+ G( b/ l8 o7 ?1 d1 ^不過我只要接一個CMFB電路，
) @6 I2 Y" _/ R7 Z- w+ P, T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，
+ ]6 @9 N' s9 ?4 ]) U  y% S* M8 j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
( }  N% B9 z6 ?3 W1 y' }) {: }先弄懂為什麼要加CMFB的原因 Razavi書上有解釋可以看一下
5 b0 v, r4 v+ r: h, E/ v2 ~" p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

嗯嗯，我有去看了Razavi裡面提到的CMFB，
) \! ?9 y7 v+ Q: b: Q但對於VB跟vcmfb拉回的點還是不太了解，
9 s! W1 q) x& h: n上圖我已經把M6和M7都改成diode-connected了，
而結合mbission的意見，我把補償電容跟電阻都拿掉了，
! u, T" [1 L: ?- y但這樣我CMFB電路裡面vb要用哪一個?
8 |) ~2 B) r2 g! q7 m$ d如果vcmfb如版主所說，要給M1,M3的GATE，
我有試過vb選擇M2的gate，
- d3 r+ Q/ y/ o' ^1 J+ y2 ~% V然後拉cmfb到M1 M3的gate，
這樣輸出取樣的波形還滿正常的，但是好像速度不夠，
  J  e) i1 j2 G' z- \都跟不上輸入的值，

所以我懷疑我vb選錯了，
或者是哪邊弄錯了，
( h( h$ p& N' y; Y我繼續看看書本，有些還不是很懂，
0 L* Q! n1 z: C& T  I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
因為沒有slew rate limit的感覺
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
, ]% U, z, X1 |- ?( J) t0 a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)
5 M) t" o: u; u2 J' G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
所以........光從模擬結果來看
1 Y* X' |# y/ o. ?; a有可能是OPA的gain不夠
因為你的OTA是current mirror single stage OTA
gain ~ gm*B*ro , B是current mirror M7 & M8的比例
當gain不夠時輸入和輸出的deviation會變大...相信你知道這點
2 @& v: Z8 K' c# m當然你的OTA的UGF也必須大過於switching frequency (if you use unit gain configuration to simulation it)
  \& V5 y8 I( L9 k貼各paper給你參考
  l  e/ N; }4 Q3 L. @1 P這各paper我曾經有使用過
* C, V& m, R' @8 T0 {不過沒用在向你那麼高的切換頻率下
paper中的UGF只有1.2M
/ f) ]& M- K; d1 _我改到約4M左右
看你的切換頻率有20M這麼高
, I1 Q  J! h* e) \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,
* J9 Q8 t$ r9 k" A' a9 H然後接到cmfb電路中,在把經過 sample 後的CMFB點拉回M1跟M3 gate端,
2 F. N& t3 g" G& c3 q, O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，
  o, G( ?4 B6 L- a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，
/ Z; d0 a( A/ }因為我第一級採用diode-connected的接法，
; }0 T# r* P4 Y; h1 L本來應該增益是gm4(ro4//ro6)
) W) c( B# V; H" W- f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)
4 s( |2 R/ P8 f! N  M* ~  x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，
- g7 a6 R  n- X' b" Q那我該怎麼辦勒
  g& R8 L6 |9 ~9 M$ ?  J
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
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
4 r+ C7 X" }/ }* {: h一組接到M1&M3   那另一組就接到第一級的M2
7 H; g) k- X( |! Z  K* O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?
, v8 x9 k/ U6 {# `; E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
0 E7 E( B8 m: m+ B
' J, m3 o0 o8 p( L, ]( I' F, K另外導正你的觀念,所謂的回授路徑是存在於common mode path,對
signal path gain 不會有太大的影響