1 引言

    隨著消費類電子產(chǎn)品的日益普及，有源OLED面板驅(qū)動芯片設(shè)計已成為大規(guī)模數(shù)�；旌舷到y(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的新熱點。源驅(qū)動電路是顯示面板驅(qū)動芯片的重要組成部分，其功能是將攜帶圖像信息的RGB信號快速、準確地建立在面板的電容像素負載上。一塊常見的QVGA(240×320)面板共需720列RGB驅(qū)動信號，也就需要720個軌到軌運算放大器作全電壓輸出緩沖器。近年來，有人提出一種“Time Sharing Drive”結(jié)構(gòu)，可以減少運放的數(shù)目。但采用該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)對單個運放的建立速度提出了更高的要求。因此，設(shè)計高速微功耗軌到軌運算放大器是提高面板驅(qū)動芯片性能的關(guān)鍵。

    兩級軌到軌運算放大器憑借高增益和寬擺幅的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。然而，兩級運放的頻率補償問題制約了其向高速、低功耗方向的發(fā)展。在已報道的文獻中，用于面板驅(qū)動芯片的兩級運放主要包含兩種頻率補償方式，即共源共柵密勒補償和輸出零點補償。但是，在系統(tǒng)要求不斷提高的前提下，這兩種結(jié)構(gòu)均難以滿足設(shè)計要求。

    本文以高速、低功耗、環(huán)路穩(wěn)定為目標，基于新型頻率補償方式，設(shè)計了一種性能良好的兩級軌到軌運算放大器；并在詳細分析運放小信號建立特性的基礎(chǔ)上，給出了設(shè)計、優(yōu)化該運算放大器的方法。

2 新型頻率補償分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

    2.1 新型頻率補償結(jié)構(gòu)

    圖1所示是一種采用本文頻率補償方式的軌到軌運算放大器。該運放包括軌到軌互補輸入差分對、共源共柵求和電路、AB類控制電路、推挽輸出級、共源共柵密勒補償電容C₁、C₂及輸出補償電阻R_z。其中，MN7和MP7作為輸出級的AB類控制電路，保證輸出級工作在AB類模式下。MN8與MP8在電路中作為浮動偏置電流源，其作用是使MN7和MP7的靜態(tài)電流不受輸入共模電壓的波動影響，減小失調(diào)和噪聲。圖2是該運放的小信號等效電路。

圖1 本文提出的運算放大器結(jié)構(gòu)

圖2 小信號等效電路

    圖2中，g_m1和g_m2分別為運放的輸入級和輸出級等效跨導(dǎo)，R₁、C₁和R₂、C_L分別是輸入級和輸出級的等效負載，g_m3是圖1中MP3和MN3的跨導(dǎo)，R₃和C₃分別是從MP3、MN3到地的等效電阻、電容，f是反饋系數(shù)。首先根據(jù)節(jié)點電流方程求出開環(huán)(f=0)傳輸函數(shù)，C點為輸出節(jié)點。

    其中，

    從(1)式的分子可知，系統(tǒng)有3個零點，包括一對模相等、分處左右半平面的零點對：

    和由R_Z引入的零點：

    由于Z_1，2遠大于單位增益帶寬，因此它們對幅頻、相頻曲線的有效影響很小。Z₃作為補償零點，調(diào)節(jié)其位置可以減緩單位增益帶寬附近的相移，從而有效增大相位裕度。在運放的三個主要極點p₁＜＜p₂＜＜p₃的前提下，可通過分母變形求出阻尼因子：

    從(4)式可以看出，采用本文的補償結(jié)構(gòu)后，增大gm3和RZ都可以提高相位裕度，對CC的要求隨之降低。此外，負載電容C_L的增大可以顯著提高阻尼因子，說明負載增大也可以增加相位裕度。

    由于采用了軌到軌的互補輸入差分對，運算放大器的等效跨導(dǎo)隨輸入共模電壓的變化有三個不同值，即g_m1、g_mp1和g_mn1+g_mp1。輸入跨導(dǎo)變化會影響相位裕度，因此，傳統(tǒng)軌到軌運算放大器需要采取跨導(dǎo)恒定措施。然而，這些措施要么增加了電路的復(fù)雜性，要么改變了運放結(jié)構(gòu)，都會帶來性能的下降或潛在的不穩(wěn)定。而新型頻率補償結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)Z3的位置，次主極點帶來的相移可以被推至遠離單位增益帶寬的頻率上，所以運放可承受較大的輸入等效跨導(dǎo)浮動，無需保持跨導(dǎo)恒定。

    2.2 瞬態(tài)特性分析

    在分析運放瞬態(tài)特性時，需求出閉環(huán)傳輸函數(shù)。為了簡化推導(dǎo)過程，近似認為R₁、R₂和R₃趨于無窮大。此時，輸出節(jié)點變成圖2中的D點。傳輸函數(shù)為：

    式中，

    此時，Z₃被D點處由R_Z和C_L引入的極點抵消。為了方便分析，將(5)式轉(zhuǎn)化成標準的三階系統(tǒng)表達式：

    (6)式包含以下參數(shù)：α、ξ、γ、ω_n以及常數(shù)k。其中，ξ是阻尼因子，ω_n是本征頻率。將(6)式分母與(5)式分母比較，可得系統(tǒng)參數(shù)與晶體管參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為：

    上述方程等號右邊未知數(shù)是三個主要晶體管的跨導(dǎo)和結(jié)寄生電容，都可以和晶體管的尺寸建立聯(lián)系。一旦得到等號左邊的系統(tǒng)參數(shù)，就可借助系統(tǒng)參數(shù)進行電路設(shè)計。

    通過(6)式與頻域下單位階躍信號1/s的乘積，進行反拉普拉斯變換，得到運放的時域建立時間函數(shù)S(t)。由于建立誤差Es為Es=[S(∞)-S(t)]/S(∞)，經(jīng)過Matlab軟件計算，可得Es的表達式：

    借助Matlab，可解出使Es最快降低至系統(tǒng)要求的參數(shù)值，即系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)值。圖3中，橫坐標為ω_nt，即對1/ω_n歸一化后的小信號建立時間，縱坐標為取對數(shù)后的建立誤差。設(shè)系統(tǒng)需要小于0.1%的建立誤差，即-60dB。由圖3(a)、(b)可以得出結(jié)論：在α=3，ξ=0.9時，建立誤差可以最快地達到-60dB，圖3(c)說明，γ對建立速度的影響可以忽略。

圖3 系統(tǒng)參數(shù)對建立特性的影響

3 仿真結(jié)果分析

    根據(jù)以上分析，所設(shè)計電路系統(tǒng)參數(shù)為α=3，ξ=0.9，γ=18,8，電路元件關(guān)鍵參數(shù)為g_m1=6μs，g_m2=70μs，g_m3=10μs，R₂=6.2kΩ，C_C1=60fF。設(shè)電阻負載為2kΩ，則需要4.2kΩ的補償電阻。采用EDA軟件，對電路進行仿真驗證，電源電壓4V，負載電容20pF。

    運放的閉環(huán)瞬態(tài)建立波形如圖4所示。存n～4V的輸入軌到軌階躍信號激勵下，輸出軌到軌瞬態(tài)建立時間僅為0.76μs，靜態(tài)工作電流僅為2.6μA。表1是本文設(shè)計的運放主要參數(shù)與同類運放的對比。

圖4 瞬態(tài)特性仿真結(jié)果(輸入階躍信號為0～4V)

表1 本文電路仿真結(jié)果與其他結(jié)構(gòu)的對比

4 結(jié)論

    本文提出一種用于兩級軌到軌運算放大器的頻率補償方法，詳細討論了采用該方法設(shè)計電路時如何從系統(tǒng)參數(shù)的角度優(yōu)化電路的小信號建立速度。該運放可適應(yīng)較寬范圍的負載變化，無需任何附加措施，即可保證電路在軌到軌輸入共模范圍內(nèi)擁有足夠的相位裕度，僅需2.6μA的靜態(tài)工作電流，就可以在0.76μs內(nèi)完成軌到軌建立。該方法適用于中高分辨率驅(qū)動顯示芯片中的源驅(qū)動模塊。

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本文標題：一種用于軌到軌運算放大器的新型頻率補償結(jié)構(gòu)

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