关于 Gain-boost 中辅助运放结构的一点考虑


在 Gain-boost 结构运放的设计中,关于辅助运放的选择有各种的考量,其中基本的是其输入和输出要满足所设定的共模电压,这里试着对此做一些基本的分析

下图所示为基本的gain-boost放大器,其中主运放为telescopic结构,p-booster 和 n-booster 分别对p-cascode 和 n-cascode 的源端电压加以控制以提高主运放的输出阻抗

gain-boost放大器

这里以p-booster的要求来做考虑:设定其输入的共模电平为Vpi,输出的共模电平为Vpo;可以看到Vpi=Vdd-Vds,故此可考虑n管作为p-booster的输入;同时在主运放中也可看到Vpo与Voi满足的关系:Vpo=Vpi-Vgs=Vpi-Vthp-Vov (这里Vthp取的绝对值),下面可以看到这一关系实际上限制了p-booster的电路结构

首先来看以基本的单级差分放大器作为p-booster,如下面图中所示

基本的单级差分放大器

如要使输入对管处于饱和区,需要Vpo>Vpi-Vthn,考虑之前的Vpo=Vpi-Vthp-Vov,可以得到:Vov+Vthp<Vthn,这对晶体管阈值电压提出了要求,而这是难以由设计者来加以控制的,且即使满足,Vth本身变化也可能使其偏离。

下面来看telescopic结构的p-booster

telescopic结构的p-booster

这里同样可以看出Vpo-Vds>Vpi-Vthn, 加上前面Vpo与Vpi关系,得到:Vov+Vds+Vthp<Vthn,可见是一个更为严格的要求

再来看folded-cascode结构作为p-booster

folded-cascode结构作为p-booster

同样这里看出 Vpo+Vds>Vpi-Vthn, 考虑主运放中 Vpi与Vpo 关系,得到 Vov-Vds+Vthp<Vthn. 这里 Vov-Vds 相对来说可以有较大的变化范围,因此比较容易满足上面的要求.

对上面几种单级放大器结构的分析, 可以看出基本差分对和 telescopic 结构很难使其工作在合适的共模输入输出水平, 相较而言 folded-cascode 更容易满足这一要求.


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