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，
6 x& H8 p8 ~* h# O2 I之前做過模擬，但現在因為要做別的應用，
+ p  _9 J# \) d  K8 B& @& @9 s需要將輸出改成雙端的，
+ U$ A! V5 u* h8 x有請教過學長，不過不知道是不是我模擬錯，
跑不太出來，
9 [3 K& }; }3 J! ]2 v/ r! n' @- U另外在Razavi的書上有看到雙端輸出的雙級放大器，
1 c. R1 D& B0 F/ D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，
該怎樣修改成雙端輸出，謝謝
附上本來單端模擬的spice
是根據180nm製程模擬的。

6 q; o5 e9 q. Avdd vdd gnd dc 1.8v
vss vss gnd dc 0v
" _: [( e. ]# {) C* SIbias vpg1 vss 15uA
r1 6 vpd5 3k
Cc out 6 0.6pf
Cl out vss 1pf
1 m. t$ L+ c% T% ym1 vpg1 vpg1 vdd vdd P_18 w=15u l=0.5u
m2 vpd2 vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
0 F$ |; K* N" |3 x1 {m3 out vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
0 _4 ]5 a3 h5 W# C$ c" r* Qm4 vpd4 vin1 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
; |" H, v, _( E) P7 Ym5 vpd5 vin2 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
' u% F! h$ {/ g/ N. I: c! }m7 vpd4 vpd4 vss vss N_18 w=15u l=0.5u
' T6 s5 [7 o- n- ~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.
% Y4 [  R9 L* R# B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.
" @, j8 Y3 {  V. y; N- {4 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
# @  e! R( ]9 `

shaq

簡單來說，把右半部 copy 到左半部去，
8 j4 q7 O3 Q4 d
2 s4 i& L; q3 E( F  q& \7 ^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

7 W) y. h) {# w- ^9 j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

( P9 l- ]4 t" b! k+ @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，
8 ]/ V8 v4 j! `: z; _7 F% }而這樣我要如何量測op頻寬那些數據呢?
  n3 O7 @# X. Y- f1 j, _因為頻寬spice通常都用ac觀察，
這樣開關該怎樣有作用。
* r' A3 T  a8 |; E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，
輸出都跟不上輸入，可能是頻寬不夠，
8 v" _7 r3 @4 ]& }9 d7 {2 A但我原來單端那個OP頻寬有到200MHz，
7 ]4 s: Y3 G/ A1 A! \% f! A希望大家能給點建議，謝謝。
. k5 b( S- Q5 ^: ]  L) _
模擬SHA結果
& \0 j4 w8 D- k4 e# M( \! m6 ^& 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
! a; S: X8 _- X8 Y& o5 U2.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
1 }3 d# g' {! i1 J  E  input兩端及cmfb點設立初始值
再試一下吧

monkeybad

同意mbission
3 ]$ M& [' }5 o" y3 }8 {common mode feedback接的電壓有誤
! m& b7 w  r! \# e% m% [  ~; W另外如果是兩級的放大器 因為你都沒有採用diode接法
+ ]" `* J% L  d- D: P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，
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，
- g  _5 ~1 X0 |. o5 u5 @目前電路是這樣，還在模擬中，
- @3 y* U3 V& H, A2 `0 I+ U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
! {0 _  J) v! p# {$ 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
Miller補償也不需要了

w765432001

嗯嗯，我有去看了Razavi裡面提到的CMFB，
1 m5 i/ r* ~& h" n% F+ [3 {4 u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，
& r5 o1 o: \2 y4 X! h- N! v& W! R# _而結合mbission的意見，我把補償電容跟電阻都拿掉了，
$ o" s0 y: \; a0 r/ f但這樣我CMFB電路裡面vb要用哪一個?
3 \' |5 j5 r/ X& F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，
這樣輸出取樣的波形還滿正常的，但是好像速度不夠，
都跟不上輸入的值，

* |0 Z( C; Q6 P2 B所以我懷疑我vb選錯了，
或者是哪邊弄錯了，
6 s- x& ^3 i  H" J" X: D( X8 I+ Y1 A$ i. R我繼續看看書本，有些還不是很懂，
3 C: C! W6 M" W4 }; }/ f8 |: ^歡迎大家提供意見給我

chungming

您好
5 _7 U; j0 m. p0 E/ F  E7 L看到你的模擬圖後我到不覺得是速度不夠快
6 l" V" ]4 F0 U2 x6 c+ j) h因為沒有slew rate limit的感覺
) q* J" w( Z' P/ E( r每各step都有settling 到一各幾乎固定的值了
, y# f8 q: g; d6 k* q6 Y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
( v( \8 ?( s! ~% 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
所以........光從模擬結果來看
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
" L' P0 C, z0 O" L' y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)
+ @$ N* G' x4 ^. x: H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
% e% ?9 r* }( e+ `/ e. jpaper中的UGF只有1.2M
我改到約4M左右
  y1 T5 {3 ^( }' `% i. i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,
; X1 P& y* P, ?+ I% s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，
# L. a) Q9 b! l$ q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，
$ i2 f2 \9 p# y  e7 M本來應該增益是gm4(ro4//ro6)
# P5 e. i# m& C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，
7 Y' c* z9 S: o/ W* M8 S: W1 A' l本來有60多dB就不見了，
那我該怎麼辦勒

$ U- g9 y/ P) L6 G% P5 {, L+ T. r4 a還是我該用原先的架構接上兩個CMFB才能有高一點的增益
( M2 n- B6 ~  G, A$ C但是回授的觀念
6 @8 q1 ]8 v+ u8 |+ ?. O- n接上回授又會降低增益(1+AB)
接上兩組不就降更低
% F$ P" S5 m. R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
; B3 `. }4 B# L0 P這樣觀念對嗎?
, k( ~; O) k+ ~9 U) u+ N那我M6&M7是不是該拆掉diode，然後gate端給偏壓值?
  q6 I$ e* U9 ?  z% p( @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
* d( h9 C4 m/ F8 u
另外導正你的觀念,所謂的回授路徑是存在於common mode path,對
: x  q5 v9 d; {7 w) Jsignal path gain 不會有太大的影響