Bhupendra K. Ahuja等人关于改进CMOS运算放大器频率补偿技术的研究报告

Bhupendra K. Ahuja的研究工作发表于1983年12月的IEEE Journal of Solid-State Circuits（Volume SC-18, Issue No. 6）。Ahuja当时隶属于Intel Corporation，研究领域集中于模拟电路设计的前沿问题。本文是一篇原创研究论文，标题为《An Improved Frequency Compensation Technique for CMOS Operational Amplifiers》。

学术背景及研究目的

研究背景
随着CMOS技术在过去的五年中取得了显著的进步，线性CMOS电路已成为高性能、低功耗模拟集成电路的关键构造模块。这些电路在硅片面积和功耗方面优于双极性技术，与此同时实现了性能的可比性，因而被广泛应用于滤波、模数转换器和数模转换器等复杂功能电路中。运算放大器（operational amplifier, op amp）是模拟集成电路中最重要的构建模块之一，其在CMOS和NMOS技术上均有广泛实现。

以两级增益架构为代表的常用CMOS运算放大器，通常包括差分输入单端输出的第一增益级，以及反向输出的第二增益级。为了保证运放的频率稳定性，第二级增益电路中通常引入RC补偿网络。然而，这种传统的频率补偿方法存在以下两个主要性能限制： 1. 稳定工作范围内能承受的负载电容较小； 2. 电源抑制比（power supply rejection ratio, PSRR）在开环极点频率之上会显著下降，影响高频性能。

研究目的
为了克服上述限制，Ahuja提出了一种改进的频率补偿技术，该技术能够大幅拓展运放对负载电容的驱动能力，同时显著改善其高频电源抑制性能。本文不仅对该方法进行了理论分析，还详细描述了其在全N-Well CMOS工艺中的实现方案，并通过实验结果验证了其优越性。

研究工作流程

理论分析与方法提出
本文在第一部分对传统频率补偿技术的原理和限制进行了分析。通过比较备用极点、零点的时域和频域分布，发现补偿电容的正反馈路径是限制运放负载能力和电源抑制性能的根本原因。为此，Ahuja提出了一种新的补偿概念：移除从第一级输出到放大器输出的正向路径，同时保留由Miller效应引入的主导极点。

这项技术采用一块虚拟接地（virtual ground）电路，将补偿电容连接至交流接地，以消除正反馈路径。新的频率模型显示，在这种配置下系统的两个极点变为真实极点（real poles），且相距较远，从而在拓宽稳定工作范围的同时大幅改善了供电抑制性能。

电路实现
这一原理通过一组特殊设计的电流变换器（current transformers）进行了硬件实现。该变换器由若干MOS晶体管（例如M8、M10等）组成，形成一个虚拟接地点，同时起到补偿电容电流流通路径的作用。满足Miller效应的同时，避免了传统设计中的寄生效应。

设计具体包括三个关键模块： 1. 输入差分级电路：由晶体管M1至M5构建，采用级联（cascode）结构以降低负电源寄生效应。 2. 补偿电路：结合M8-M10以实现虚拟接地功能，在高频情况下有效屏蔽反馈噪声。 3. 输出级设计：通过M6和M7实现输出的反向增益级。 偏置电路在多个运放单元间共享，以减少功耗和硅片占用面积。

实验验证
整个设计基于4微米N-Well CMOS工艺制成，芯片面积约为165平方毫米。实验中采用多组负载电容测试了系统的稳定性、频率响应及其他性能指标。

研究主要结果

负载能力提升
通过更加紧凑的布局设计，研究团队将补偿电容（Cc）减少至传统值的十分之一，从而有效提升了运放的负载电容能力。实验表明，新技术可以稳定驱动负载电容高达100pF，而传统RC补偿技术仅能处理10pF。

电源抑制比改善
在高频（100kHz）下，该技术实现了70dB的负电源抑制比，这比传统技术提升了约30dB。此外，仿真结果与实际测量值显示，新的设计成功将寄生零点频率推至60kHz附近，从而改善了高频性能。

性能参数总结
实验测得的运算放大器主要性能参数包括： - 开环增益：80 dB； - 单位增益带宽：3.8 MHz； - 15pF负载条件下的相位裕度：70°； - 输入噪声密度：1kHz时为58nV/√Hz，100kHz时为8nV/√Hz； - 低频负供电抑制比（VBB PSRR）：-84 dB。

研究结论及意义

本文提出的改进频率补偿技术，不仅显著提升了CMOS运算放大器的电容负载能力，同时改善了其在高频条件下的供电抑制性能，具有极高的实用价值。Ahuja的方法摒弃了传统的正反馈补偿路径，采用虚拟接地技术提供了更优的频率与噪声特性平衡。此设计适用于电信领域的高频开关调节器、采样数据系统和开关电容多路复用等场景。

通过理论分析、硬件验证及实验数据支持，该研究为高性能模拟电路设计提供了新思路，不仅证明了CMOS技术的灵活性与潜力，还为复杂功能电路的单芯片集成指明了方向。

研究亮点

1. 提出了全新的频率补偿技术，彻底解决了传统RC补偿技术的两大瓶颈问题。
2. 开发了虚拟接地电流变换器，为去耦、高频补偿提供关键支持。
3. 在小硅片面积和低功耗条件下实现了高性能参数，尤其适用于电信高频应用。
4. 实验数据详实、模型解析充分，为后续研究奠定了坚实基础。

通过以上研究，Ahuja及其团队的工作不仅为现代CMOS运算放大器的开发提供了重要参考，还预示了这一领域技术发展的新方向。