0.6μm CMOS工藝全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　運(yùn)算放大器是數(shù)據(jù)采樣電路中的關(guān)鍵部分，如流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。在此類設(shè)計(jì)中，速度和精度是兩個(gè)重要因素，而這兩方面的因素都是由運(yùn)放的各種性能來(lái)決定的。

　　本文設(shè)計(jì)的帶共模反饋的兩級(jí)高增益運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)分兩級(jí)，第一級(jí)為套筒式運(yùn)算放大器，用以達(dá)到高增益的目的；第二級(jí)采用共源級(jí)電路結(jié)構(gòu)，以增大輸出擺幅。另外還引入了共模反饋以提高共模抑制比。該方案不僅從理論上可滿足高增益、高共模抑制比的要求，而且通過(guò)了軟件仿真驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的直流增益可達(dá)到80 dB，相位裕度達(dá)到80°，增益帶寬為74 MHz。

　　1 運(yùn)放結(jié)構(gòu)

　　通常所用的運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)基本有三種，即簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放、折疊共源共柵和套筒式共源共柵。其中兩級(jí)結(jié)構(gòu)有大的輸出擺幅，但是頻率特性比較差，一般用米勒補(bǔ)償，可使得相位裕度變小，因而電路的穩(wěn)定性會(huì)變差；套筒式的共源共柵結(jié)構(gòu)，雖然頻率特性較好，又因?yàn)樗挥袃蓷l主支路，所以功耗比較小。但是這些都是以減小輸入范圍和輸出擺幅為代價(jià)的。因此，為了緩解套筒式結(jié)構(gòu)對(duì)輸入電壓范圍的限制，本文提出了折疊式運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的思路。折疊式結(jié)構(gòu)比套筒式結(jié)構(gòu)有更大的輸入共模電平范圍，但卻以減小增益和帶寬，增大噪聲和功耗為代價(jià)的?？紤]到折疊共源共柵輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的功耗比較大，因此，本文選擇套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)，最后選擇了如圖1所示的全差分結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)。

　　1．1 主運(yùn)放結(jié)構(gòu)

　　全差分運(yùn)算放大電路對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抑制能力。而套筒式結(jié)構(gòu)則具有高增益、低功耗以及頻率特性好等特點(diǎn)。因此，第一級(jí)放大結(jié)構(gòu)(即M0～M8)采用套筒式全差分放大器結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)。第二級(jí)(即M9～M11)為共源結(jié)構(gòu)，以改善套筒式結(jié)構(gòu)輸出擺幅小的缺點(diǎn)，同時(shí)相應(yīng)提高運(yùn)算放大器的開環(huán)增益。但是，隨著級(jí)數(shù)的增加，必然會(huì)增加電路的零極點(diǎn)，這對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求更高。因此，必須引入補(bǔ)償電容C3來(lái)補(bǔ)償額外的極點(diǎn)，使電路的相位裕度能滿足要求，并使性能穩(wěn)定。另外，圖1申的VB1用于提供尾電流鏡偏置，VB2和VB3分別用于為PMOS和NMOS提供靜態(tài)直流偏置，這三個(gè)偏置電壓均提供有偏置電路。

　　對(duì)該運(yùn)算放大器進(jìn)行小信號(hào)分析，可以計(jì)算出第一級(jí)套筒式全差分結(jié)構(gòu)的放大倍AV1，公式為：

A v1≈g2[(gm4τ2τ4)·(gm6τ6τs)]

　　其中，gm2、gm4、gm6分別表示M2、M4、M6的跨導(dǎo)，r2、r4、r6、r8分別表示M2、M4、M6、M8管的輸出電阻。

　　第二級(jí)共源級(jí)放大結(jié)構(gòu)的單端放大倍AV2可用下式計(jì)算：

AV2=-gM10r10

　　其中，gM10、r10分別表示M10管的跨導(dǎo)和輸出電阻。因此，整個(gè)米勒補(bǔ)償型運(yùn)算放大器的開環(huán)增益A v可以用第一級(jí)和第二級(jí)的放大倍數(shù)之積來(lái)表示：

A v="A" v1A v2

　　1．2 共模反饋電路

　　由于本設(shè)計(jì)采用的是全差分結(jié)構(gòu)，所以，為了通過(guò)穩(wěn)定直流來(lái)穩(wěn)定輸出共模電壓，保證輸出級(jí)工作于線性區(qū)，通常需要一個(gè)共模反饋(CMFB)電路。共模反饋電路一般有兩種類型。一種為連續(xù)時(shí)間式，另一種為開關(guān)電容式。本設(shè)計(jì)采用的是開關(guān)電容式結(jié)構(gòu)，圖2所示是開關(guān)電容式共模反饋電路。其中S1～S6為開關(guān)，C1～C4是共模反饋電容，Vout+和Vout-是運(yùn)放的輸出電壓，ψ1和ψ2是兩相不交疊的時(shí)鐘信號(hào)。VCM是理想共模輸出電壓，Vb1是理想的共模偏置電壓，Vb2是實(shí)際的共模偏置電壓，即運(yùn)放中電流源的控制電壓。實(shí)際中，S1～S6的開關(guān)都是由NMOS管實(shí)現(xiàn)的。

　　1．3 偏置電路

　　偏置電路主要用于提供折疊共源共柵放大器及共模反饋的偏置電壓。本文采用如圖3所示的寬擺幅電流源偏置電路結(jié)構(gòu)。在共源共柵輸入級(jí)中，通常需要三個(gè)電壓偏置。為了使輸入級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍大一些，圖3中的寬擺幅電流源用來(lái)產(chǎn)生所需要的三個(gè)偏置電壓。根據(jù)寬擺幅電流源的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足以下關(guān)系式：

　　2 電路仿真結(jié)果

　　采用HSPICE電路仿真工具，并利用上華0．6μm CMOS工藝模型參數(shù)，可對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示：該運(yùn)放的開環(huán)直流增益為80 dB，相位裕度80度，單位增益帶寬74 MHz。圖4為其幅頻及相頻特性曲線。由圖4可見，電路功耗為1．9 mW；差動(dòng)輸出范圍為-2．48～2．5 V；電源電壓為2．5 V。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文給出了一種低電壓全差分套筒式運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了仿真，從仿真結(jié)果可以看出，在保證高增益、低功耗的同時(shí)，該設(shè)計(jì)還可以滿足20 MHz流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中運(yùn)放的設(shè)計(jì)要求。