放大器的單端輸出改雙端輸出

w765432001

這是之前參考smith電子學上面的2 stage的運算放大器，
# O6 p4 I+ C6 D3 @; U$ n* c/ c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，
6 i7 a: u& E* q# J有請教過學長，不過不知道是不是我模擬錯，
! v$ A! g; N- n' p; C, o5 ~跑不太出來，
5 X( X- s6 }3 b* F2 b另外在Razavi的書上有看到雙端輸出的雙級放大器，
9 O1 R5 X3 u( d* r/ T  ~不過架構是另外一種，
所以想請問看看如果本來是如上圖這樣的放大器，
  q' n+ E% e- B* U( l7 v! u該怎樣修改成雙端輸出，謝謝
; n& @2 c) G/ i: H4 k+ G附上本來單端模擬的spice
- `1 c+ }5 @8 F* h是根據180nm製程模擬的。

8 e1 G# u5 [4 e8 L/ vvdd vdd gnd dc 1.8v
vss vss gnd dc 0v
Ibias vpg1 vss 15uA
/ h1 @3 T" |; u& T% S/ xr1 6 vpd5 3k
Cc out 6 0.6pf
- i9 f* P! s2 O) k& ~$ B3 s  _- vCl out vss 1pf
$ \2 g1 d/ Z! g$ t& r1 Zm1 vpg1 vpg1 vdd vdd P_18 w=15u l=0.5u
& V% X/ a8 i3 O& V$ B% c5 Am2 vpd2 vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
m3 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
+ I* I  B/ w: r3 z1 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.
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.
! h: C/ W/ [$ W. H7 a7 B1 gdifferential 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
/ U$ [9 e- S% Z! w: r- H  [

shaq

簡單來說，把右半部 copy 到左半部去，
. N$ i5 P2 b* m3 ^' q
, J* t# a' z2 G5 P5 ^+ V1 ]M1, M2, M3 再用同一個偏壓點拉。
3 T+ \* W9 l7 P0 ~' R2 E5 W3 J  JM6,M7, M8 (左+右) 用 CMFB 去拉偏壓點。

w765432001

感謝mbission與shaq提供意見，
! D( y& O. ]# @: `( {! e! T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
1 b8 f! g) L! R
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?
9 X# Z1 ?$ b9 E0 g2 R因為頻寬spice通常都用ac觀察，
這樣開關該怎樣有作用。
/ `3 `9 E3 {5 r! F2 r9 ?' G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，
( u+ b) u, c4 v! Y% g6 `! _: |" m9 U因為我把op拿去放在取樣維持放大電路(SHA)裡面，
) g' i( I6 ?1 z6 c- r出來的結果沒有很理想，
2 J9 S+ t* U& S- \輸出都跟不上輸入，可能是頻寬不夠，
  c' [/ U% E' P7 o% _- p. B0 I- \但我原來單端那個OP頻寬有到200MHz，
4 h( E. {; B# o4 R4 T- \! {希望大家能給點建議，謝謝。

/ _4 Z5 ^( i0 ]5 p$ \6 ^3 W7 m模擬SHA結果
6 S9 n/ s& a7 T+ E' F5 q

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
2.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
再試一下吧

monkeybad

同意mbission
# f. m3 y% o: `common mode feedback接的電壓有誤
' ]4 S" f5 o# s( l6 H7 l另外如果是兩級的放大器 因為你都沒有採用diode接法
1 p; j* G. W* F所以這兩級應該都要加CMFB 以確保dc準位

w765432001

感謝mbission以及版主提供意見~
我後來將電路圖改成上面這樣，
) q7 l6 b, {8 ~* f9 J- B4 \) v2 X( x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?
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
先弄懂為什麼要加CMFB的原因 Razavi書上有解釋可以看一下
- G; J9 }& ]# S/ v; g8 t1 Y! b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
7 _% C; x& m, N; \% c! R9 IMiller補償也不需要了

w765432001

# h  R1 h+ R, _' w! A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，
上圖我已經把M6和M7都改成diode-connected了，
" q' {- S* r. P4 C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?
0 V: s# N$ H' D" ^- v# o; I如果vcmfb如版主所說，要給M1,M3的GATE，
我有試過vb選擇M2的gate，
2 x/ |, G- g- O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，
  n& _& s9 L' \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，
我繼續看看書本，有些還不是很懂，
6 A& i6 v- F- q; l. i4 P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
/ A+ O* R& a1 B" X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
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
5 `- F5 w# g0 a9 A  Y& k+ L所以........光從模擬結果來看
/ C8 J& x% J; v; e有可能是OPA的gain不夠
% Y; ]: b& @6 G* b0 o因為你的OTA是current mirror single stage OTA
  D' l% Z3 K0 E: q, `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
當然你的OTA的UGF也必須大過於switching frequency (if you use unit gain configuration to simulation it)
9 L  C3 t' x# u; N$ K- I貼各paper給你參考
4 u8 w" L9 g* U, F- T8 c這各paper我曾經有使用過
1 E* B9 f3 K7 b+ v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
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,
你可以先試著sample common點,看cmfb有沒有正常運作,正常情形下,
$ s! b' _; F- ]3 h, ?7 ldifferential 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，
, @6 p: b& M) a; w" w  Q5 n我有大致調出我的op雙端輸出，
7 ~. H( V) }1 i9 T不過我拿去接取樣維持電路又感覺有些問題，
# g4 X$ P3 Z$ k, }% N6 T因為我第一級採用diode-connected的接法，
: ?) t  q) B2 j& K; F& g. v5 Z本來應該增益是gm4(ro4//ro6)
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)
由於這樣所以我增益就被大大降低，
/ Q; f5 A5 w  z4 S. O本來有60多dB就不見了，
( u. Q7 X. v" O那我該怎麼辦勒

還是我該用原先的架構接上兩個CMFB才能有高一點的增益
( Y9 L9 ?& @7 j+ Q但是回授的觀念
/ o+ K  Z7 [, r7 m* N4 g接上回授又會降低增益(1+AB)
接上兩組不就降更低
  ^( O, b, ~0 D+ N如果真的要接上兩組，那我是不是如同mbission說的
一組接到M1&M3   那另一組就接到第一級的M2
3 k: l3 O6 q# G. u! x6 A9 S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?
. t3 `' V& |3 X1 J" k* g然後在接上補償電容跟電阻。
6 Z/ s/ E( M1 V: C$ ^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
" F) f& S6 E" ?6 Q
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