1 引言
随着消费类电子产品的日益普及，有源OLED面板驱动芯片设计已成为大规模数模混合系统设计领域的新热点。源驱动电路是显示面板驱动芯片的重要组成部分，其功能是将携带图像信息的RGB信号快速、准确地建立在面板的电容像素负载上。一块常见的QVGA(240×320)面板共需720列RGB驱动信号，也就需要720个轨到轨运算放大器作全电压输出缓冲器。近年来，有人提出一种“Time Sharing Drive”结构，可以减少运放的数目。但采用该结构的系统对单个运放的建立速度提出了更高的要求。因此，设计高速微功耗轨到轨运算放大器是提高面板驱动芯片性能的关键。
两级轨到轨运算放大器凭借高增益和宽摆幅的优点得到广泛应用。然而，两级运放的频率补偿问题制约了其向高速、低功耗方向的发展。在已报道的文献中，用于面板驱动芯片的两级运放主要包含两种频率补偿方式，即共源共栅密勒补偿和输出零点补偿。但是，在系统要求不断提高的前提下，这两种结构均难以满足设计要求。
本文以高速、低功耗、环路稳定为目标，基于新型频率补偿方式，设计了一种性能良好的两级轨到轨运算放大器；并在详细分析运放小信号建立特性的基础上，给出了设计、优化该运算放大器的方法。
2 新型频率补偿分析与结构设计
2.1 新型频率补偿结构
图1所示是一种采用本文频率补偿方式的轨到轨运算放大器。该运放包括轨到轨互补输入差分对、共源共栅求和电路、AB类控制电路、推挽输出级、共源共栅密勒补偿电容C1、C2及输出补偿电阻Rz。其中，MN7和MP7作为输出级的AB类控制电路，保证输出级工作在AB类模式下。MN8与MP8在电路中作为浮动偏置电流源，其作用是使MN7和MP7的静态电流不受输入共模电压的波动影响，减小失调和噪声。图2是该运放的小信号等效电路。
图1 本文提出的运算放大器结构
图2 小信号等效电路
图2中，gm1和gm2分别为运放的输入级和输出级等效跨导，R1、C1和R2、CL分别是输入级和输出级的等效负载，gm3是图1中MP3和MN3的跨导，R3和C3分别是从MP3、MN3到地的等效电阻、电容，f是反馈系数。首先根据节点电流方程求出开环(f=0)传输函数，C点为输出节点。
其中，
从(1)式的分子可知，系统有3个零点，包括一对模相等、分处左右半平面的零点对：
和由RZ引入的零点：
由于Z1，2远大于单位增益带宽，因此它们对幅频、相频曲线的有效影响很小。Z3作为补偿零点，调节其位置可以减缓单位增益带宽附近的相移，从而有效增大相位裕度。在运放的三个主要极点p1＜＜p2＜＜p3的前提下，可通过分母变形求出阻尼因子：
从(4)式可以看出，采用本文的补偿结构后，增大gm3和RZ都可以提高相位裕度，对CC的要求随之降低。此外，负载电容CL的增大可以显著提高阻尼因子，说明负载增大也可以增加相位裕度。
由于采用了轨到轨的互补输入差分对，运算放大器的等效跨导随输入共模电压的变化有三个不同值，即gm1、gmp1和gmn1+gmp1。输入跨导变化会影响相位裕度，因此，传统轨到轨运算放大器需要采取跨导恒定措施。然而，这些措施要么增加了电路的复杂性，要么改变了运放结构，都会带来性能的下降或潜在的不稳定。而新型频率补偿结构通过调节Z3的位置，次主极点带来的相移可以被推至远离单位增益带宽的频率上，所以运放可承受较大的输入等效跨导浮动，无需保持跨导恒定。
2.2 瞬态特性分析
在分析运放瞬态特性时，需求出闭环传输函数。为了简化推导过程，近似认为R1、R2和R3趋于无穷大。此时，输出节点变成图2中的D点。传输函数为：
式中，
此时，Z3被D点处由RZ和CL引入的极点抵消。为了方便分析，将(5)式转化成标准的三阶系统表达式：
(6)式包含以下参数：α、ξ、γ、ωn以及常数k。其中，ξ是阻尼因子，ωn是本征频率。将(6)式分母与(5)式分母比较，可得系统参数与晶体管参数的对应关系为：
上述方程等号右边未知数是三个主要晶体管的跨导和结寄生电容，都可以和晶体管的尺寸建立联系。一旦得到等号左边的系统参数，就可借助系统参数进行电路设计。
通过(6)式与频域下单位阶跃信号1/s的乘积，进行反拉普拉斯变换，得到运放的时域建立时间函数S(t)。由于建立误差Es为Es=[S(∞)-S(t)]/S(∞)，经过Matlab软件计算，可得Es的表达式：
借助Matlab，可解出使Es最快降低至系统要求的参数值，即系统参数最优值。图3中，横坐标为ωnt，即对1/ωn归一化后的小信号建立时间，纵坐标为取对数后的建立误差。设系统需要小于0.1%的建立误差，即-60dB。由图3(a)、(b)可以得出结论：在α=3，ξ=0.9时，建立误差可以最快地达到-60dB，图3(c)说明，γ对建立速度的影响可以忽略。
图3 系统参数对建立特性的影响
3 仿真结果分析
根据以上分析，所设计电路系统参数为α=3，ξ=0.9，γ=18,8，电路元件关键参数为gm1=6μs，gm2=70μs，gm3=10μs，R2=6.2kΩ，CC1=60fF。设电阻负载为2kΩ，则需要4.2kΩ的补偿电阻。采用EDA软件，对电路进行仿真验证，电源电压4V，负载电容20pF。
运放的闭环瞬态建立波形如图4所示。存n～4V的输入轨到轨阶跃信号激励下，输出轨到轨瞬态建立时间仅为0.76μs，静态工作电流仅为2.6μA。表1是本文设计的运放主要参数与同类运放的对比。
图4 瞬态特性仿真结果(输入阶跃信号为0～4V)
表1 本文电路仿真结果与其他结构的对比
4 结论
本文提出一种用于两级轨到轨运算放大器的频率补偿方法，详细讨论了采用该方法设计电路时如何从系统参数的角度优化电路的小信号建立速度。该运放可适应较宽范围的负载变化，无需任何附加措施，即可保证电路在轨到轨输入共模范围内拥有足够的相位裕度，仅需2.6μA的静态工作电流，就可以在0.76μs内完成轨到轨建立。该方法适用于中高分辨率驱动显示芯片中的源驱动模块。
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