放大器的單端輸出改雙端輸出

w765432001

+ P) J% h, H, N/ A- g這是之前參考smith電子學上面的2 stage的運算放大器，
之前做過模擬，但現在因為要做別的應用，
) ]2 p1 L/ y- x( p) T6 H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，
9 \3 H8 B2 s, \不過架構是另外一種，
+ {1 h) L- T( c; e/ h2 `所以想請問看看如果本來是如上圖這樣的放大器，
' d; Q; W- B6 N, y4 i該怎樣修改成雙端輸出，謝謝
3 g9 `4 o2 J! d) O7 E附上本來單端模擬的spice
是根據180nm製程模擬的。

0 y; _" `: q8 vvdd vdd gnd dc 1.8v
vss vss gnd dc 0v
$ o! _) m0 q# `& W5 z2 y' m7 G  t/ t7 uIbias vpg1 vss 15uA
r1 6 vpd5 3k
Cc out 6 0.6pf
) I- w2 m* S, Z* LCl out vss 1pf
5 w/ V8 t$ S/ ^) Gm1 vpg1 vpg1 vdd vdd P_18 w=15u l=0.5u
m2 vpd2 vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
m3 out vpg1 vdd vdd P_18 w=90u l=0.5u
3 T) S/ M3 w0 o$ y9 U$ m( J) }! Wm4 vpd4 vin1 vpd2 vpd2 P_18 w=60u l=0.5u
m5 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
! K: H5 U' X: 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.
9 Z' p, c0 B( d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
9 H! T- l( ]4 ~4 X: P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

shaq

簡單來說，把右半部 copy 到左半部去，
/ Y- K0 V4 o  I
2 K8 U* H  t0 M; n* r) AM1, M2, M3 再用同一個偏壓點拉。
" V7 x, Q1 L) w, A* A+ s( Z, `M6,M7, M8 (左+右) 用 CMFB 去拉偏壓點。

w765432001

感謝mbission與shaq提供意見，
9 J% q) \4 b  a1 ?# @我重新接電路，如上圖這樣，然後我是只有把第一級接cmfb，
: W8 Y+ @. `' P( Z下面是我cmfb電路

8 G5 V0 [; f! `5 {% D" U# }不過這樣想請問因為我用到mos開關，
& t; p1 }( ^; \- p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?
因為頻寬spice通常都用ac觀察，
這樣開關該怎樣有作用。
3 _; h: K  s& X7 C/ `順便想問看看我上面這樣接，有哪邊接錯嗎?
5 l3 B& `4 @. G, D. H/ O5 D或是可能會有什麼問題，
5 M$ K" C: g8 V/ \8 z' w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，
$ p; E; B. r, Q6 d2 A: J希望大家能給點建議，謝謝。

$ \, `# Y/ _- n8 b/ j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
2.接回去的點好像也不對,要構成負回授
5 x$ L+ F" h1 R4 Z3.要先跑tran,找到穩定的dc點,再用設initial方式,把opamp differential
- ?" z" V, }" y) a; t: R# M  input兩端及cmfb點設立初始值
再試一下吧

monkeybad

同意mbission
8 o. n" e7 m% X* Q% ?; xcommon 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
; d% @# k% J$ g  ~9 |- t9 Y& S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?
4 p. B8 P' t2 B, ~  d( E: V不過我只要接一個CMFB電路，
# I* s( L1 P& g6 `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
- d$ ~  B, Z, n/ E4 m3 N; d2 [7 O先弄懂為什麼要加CMFB的原因 Razavi書上有解釋可以看一下
8 d2 S4 K4 n- n- j' X  y: t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

( L" }" |2 T" Y  R* F; g嗯嗯，我有去看了Razavi裡面提到的CMFB，
9 K. `+ K3 q/ e! [5 B0 c- E但對於VB跟vcmfb拉回的點還是不太了解，
9 ]1 F* z* {9 L. B8 d  Z上圖我已經把M6和M7都改成diode-connected了，
" U3 J) A: a4 k9 u. _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?
" p% c$ O5 ?( ~3 f" o. Z如果vcmfb如版主所說，要給M1,M3的GATE，
我有試過vb選擇M2的gate，
( K1 ?. J  B* F3 f. |然後拉cmfb到M1 M3的gate，
  u* F( o( _  x/ W, J) m  Z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，
% d( Q: X% M6 c& I6 x
( X% V/ H+ e$ n1 \% ~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，
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
. ]) ?" V. W+ `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
! \: x5 O3 h4 v( Y; F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
7 K" e0 K1 D* R9 L) J+ ~. H/ ~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)
( X. n5 z; v$ v5 O' u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
看你的切換頻率有20M這麼高
$ j1 d; B# l' D' \" r' J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,
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，
5 s4 `4 j6 t# V, w. o+ S我有大致調出我的op雙端輸出，
. K/ r9 p' y" t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)
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)
  ~$ P" h( }/ [0 d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，
# t6 y& g/ v$ l( _3 K那我該怎麼辦勒
9 Q8 G3 m( L) n. h
還是我該用原先的架構接上兩個CMFB才能有高一點的增益
' Q. Q+ H, S  I: m( S' g, m但是回授的觀念
接上回授又會降低增益(1+AB)
  P3 ]# y1 Z- A1 n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
0 y; `4 S) K) x& w# l" o$ z0 K一組接到M1&M3   那另一組就接到第一級的M2
# W+ z3 \! \6 S這樣觀念對嗎?
& @, P' O9 v; T; {, l* i那我M6&M7是不是該拆掉diode，然後gate端給偏壓值?
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

另外導正你的觀念,所謂的回授路徑是存在於common mode path,對
7 I0 w$ s% y3 U) l  Vsignal path gain 不會有太大的影響