casscode补偿运放的阶跃响应有轻微的振荡

踟蹰的天 · 发表于 2025-3-1 16:23:21

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我最近在调试 A Compact Power-Efficient 3 V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries 一文里图13（米勒补偿）和图14（cascode补偿）中的class AB运放。

其中，米勒补偿可以正常工作。cascode补偿的运放无论是开环还是闭环的环路的相位裕度都有60°以上，且增益裕度也有10dB左右，但是对单位增益负反馈施加阶跃响应时，会发生轻微的振铃。我大概知道可能是cascode补偿带来的共轭极点会带来这种效果，但是我自认为应该处理好了。可是为什么仍然会有轻微的震荡呢？

sea11038 · 发表于 2025-3-2 15:47:36

这不是振荡，1.6V的电压阶跃，是大信号的瞬时跳变和摆率受限。左上和右下的拐角处才是小信号响应。

踟蹰的天 · 发表于 2025-3-3 10:55:16

sea11038 发表于 2025-3-2 15:47
这不是振荡，1.6V的电压阶跃，是大信号的瞬时跳变和摆率受限。左上和右下的拐角处才是小信号响应。 ...

感谢解答，但是没太理解您说的“大信号的瞬时跳变和摆率受限”
但感觉这里的异常和相位裕度似乎还是有关系的，比如这个图增益裕度相对少些（增益曲线上有平台），结果就是有更多的抖动。还有因为这里的抖动直接把后面的瞬态变化带成震荡的

sea11038 · 发表于 2025-3-3 22:26:08

踟蹰的天发表于 2025-3-3 10:55
感谢解答，但是没太理解您说的“大信号的瞬时跳变和摆率受限”
但感觉这里的异常和相位裕度似乎还是有关 ...

电源是1.8V么？交流小信号稳定性需要在间隔不大的各个DC输入值下都验证一下，比如100mV，200mV，500mV，...1.6V，1.7V等，稳定性都满足指标才行。另外仿真瞬态可以加近似为小信号的100mV阶跃，也同样可以试试例如100mV和200mV互跳、1.6V和1.7V互跳等等，这才是近似与交流稳定性对应的瞬态特性。当然大信号瞬态特性也要仿真，1.6V的阶跃特性，一个是差分对之间以及与输出之间瞬态耦合的影响，一个是摆率受限的上升下降时间的影响，还有就是接近稳态终值前的小信号瞬态响应特性。

踟蹰的天 · 发表于 2025-3-4 11:59:54

sea11038 发表于 2025-3-3 22:26
电源是1.8V么？交流小信号稳定性需要在间隔不大的各个DC输入值下都验证一下，比如100mV，200mV，500mV，. ...

电源确实是1.8V。由于采用了恒gm结构，各DC值偏置下的单位增益负反馈的环路相位裕度都是62°左右。但是100mV之间的小信号阶跃也展示出轻微的抖动。

sea11038 · 发表于 2025-3-4 23:56:16

踟蹰的天发表于 2025-3-4 11:59
电源确实是1.8V。由于采用了恒gm结构，各DC值偏置下的单位增益负反馈的环路相位裕度都是62°左右。但是10 ...

两个交流仿真的图，一个是AC一个是stb，单位增益带宽一个653KHz一个24KHz，为何会差这么多，仿真方法是否都正确？
stb图，增益裕度似乎不好，像是阻尼系数小的共轭极点或者有右零点？

尽管stb图的稳定性可能有问题，但100mV小信号的瞬态阶跃响应看着感觉不像是稳定性有问题，像是先瞬态耦合再零极点的线性响应，可以尝试50mV或者更小的20mV阶跃信号看看。仿真条件和设置是怎样的？用的0.18工艺吧，互补的输入对管尺寸分别多大，负载电容多大，阶跃输入信号怎么给的，沿的上升下降时间多少？

踟蹰的天 · 发表于 2025-3-5 16:50:19

sea11038 发表于 2025-3-4 23:56
两个交流仿真的图，一个是AC一个是stb，单位增益带宽一个653KHz一个24KHz，为何会差这么多，仿真方法是否 ...

感谢回复。

两个仿真的图的带宽不同主要是由于来自两个不同的设计参数，带宽较小的那个只是为了说明那种极端情况，抱歉对您造成困惑。

对于目前设计的带宽较宽的那种情况，stb图的增益裕度确实也不好，大约10dB多一点。根据分析，确实在次主极点确实是共轭极点。根绝pz仿真，次主极点确实是共轭极点，同时在附近貌似还有意料之外的共轭极点和一个在带宽20倍处的右零点

关于小幅值的阶跃响应，看起来貌似比较正常。异常现象可能确实是由大信号造成的？我用的仿真条件是瞬态的consetvative，其他设置都是默认。使用的工艺是.18工艺，由于希望输入负载较小，互补输入管（N和P）的尺寸是4um/1um，应该是比较小了。负载电容是9.5pF，补偿电容是0.4pF+0.4pF。输入信号用的是vbit生成的阶跃，fall time和rise time都用的100ps。