用于低噪聲恒流電荷泵的誤差放大器設(shè)計

　　另外，在設(shè)計本電路時，還應(yīng)當(dāng)設(shè)計一些其它的功能模塊，包括：啟動電路、電流采樣、過流保護(hù)等電路。

　　不同于傳統(tǒng)方法，本設(shè)計將Gml差分輸入的電源偏置連接在電荷泵的輸出電壓VOUT上，而不是VIN，這就使得此偏置電壓非常穩(wěn)定，其原因在于VOUT的紋波很小，而且噪聲極低。

　　然而，這種設(shè)計也會產(chǎn)生一個問題，即：VOUT在系統(tǒng)上電之初為零，而此時EA又不工作，使得整個電路無法工作，所以，需要增加一個啟動單元，以使系統(tǒng)在剛上電時就可使電荷泵工作，從而使VOUT上升，當(dāng)VOUT增大到閾值時，EA開始工作。當(dāng)電路啟動起來以后，電荷泵驅(qū)動電壓則由EA輸出控制M22、R4和M24使能開啟電路，而M23、M25、M26和R5將其關(guān)斷。

　　系統(tǒng)中的電流采樣電路采取一個與IGM成正比的小電流IS，此電路由M27、M28、M29和M30組成。應(yīng)將M27的柵極和電荷泵中電流鏡的柵極相連接，可將采樣比例設(shè)定為1：3000。其采樣原理如下：

　　由于基準(zhǔn)電路提供的是一個非常小的偏置電流(大概1μA)，那么M28的柵源電壓VGS也就很小，差不多就是其閾值電壓。而M29的寬長比W/L被設(shè)計得很大，那么采樣電流IS就很小，則M29的柵源電壓VGS也很小，因此，M27和電荷泵中開關(guān)管的VDRAIN差不多大小。其過流保護(hù)電路包含M32、M33和M34。這里，M34和電流采樣電路的M31相互鏡像。它是通過采樣電流IS來控制電荷泵中開關(guān)管的柵極電壓，因此限制了最大值。在正常范圍內(nèi)，IS很小，M32和M34一起驅(qū)動，M33的VGATE為高，過流保護(hù)單元不工作。當(dāng)IGM增加時，M34的VDRAIN(或者M(jìn)33的VGATE)將慢慢減小。當(dāng)增大到某個值時，M33完全導(dǎo)通，反饋回路將VDRIVER限制在某個值，從而限制IGM，實現(xiàn)過流保護(hù)功能。M32、M33和M34的尺寸在設(shè)計時應(yīng)注意匹配。限流工作時，電路形成一個反饋回路，C3作為彌勒補(bǔ)償以使限定電流穩(wěn)定。

　　為了評估所設(shè)計電路的性能，本系統(tǒng)利用Hynix 0.5μm CMOS工藝進(jìn)行仿真。圖2給出了HSPICE仿真在不同電源電壓下頻率與增益的比較結(jié)果，仿真結(jié)果表明在很寬的頻率范圍內(nèi).增益超過60 DB。

　　不同電源電壓下PSRR與頻率的關(guān)系及不同IGM下CMRR與頻率的關(guān)系分別在圖3和圖4中給出。結(jié)果表明，該電路的PSRR和CMRR分別可達(dá)到65 DB和70 DB。

　　為了進(jìn)一步測定設(shè)計的可用性，這里還繪制了一個用到該EA的恒流電荷泵版圖，如圖5所示，以便開展后續(xù)工作。

　　3 結(jié)束語

　　本文基于對稱OTA結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款用于低噪聲恒流電荷泵的誤差放大器EA，即在傳統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)上引入了動態(tài)頻率補(bǔ)償及彌勒補(bǔ)償。新設(shè)計的EA不僅降低了輸出波紋及噪聲，而且改善了穩(wěn)定性。從電路分析和仿真結(jié)果可以看到在100 Hz～10 MHz頻率范圍內(nèi)，其增益高達(dá)60 DB，PSRR為65 DB，而CMRR則高達(dá)70 DB，系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能。