共源共柵運算放大器的設計

1、共源共柵運算放大器的設計-CAL-FENGHAL(2020YEAR-YICAI)瑕高性能折疊式共源共柵運算放大器的設計朱治鼎，彭曉宏，呂本強，李曉慶（北京工業(yè)大學集成電路與系統(tǒng)集成實驗室，北京）摘要：折疊式共源共柵結構能夠提供足夠高的增益，增大帶寬以及提高共 模抑制比和電源電壓抑制比。本文基于工藝，設計驗證了一種折疊式共源共柵 結構的差分輸入運算放大器的性能參數(shù)。給出了整個電路結構，詳細分析了折 疊式共源共柵放大器。從spectre仿真結果得到，該電路在電源電壓下具有的直 流開環(huán)增益，的單位增益帶寬，。的相位裕度，的共模抑制比以及的電源電壓抑 制比，達到了預期的設計目標。關鍵詞：折疊式共源共柵

2、；工藝；運算放大器；Design of High Performance Folded-cascode OperationalAmpl 訐 ierZhu Zhiding, Peng Xiaohong, Lv Benqiang, Li Xiaoqing(VLSI & System Laboratory, Beijing University of Technology, Beijing, China) Abstract: Folded-cascode operational amplifier not only supply high gain, large bandwidth, but

3、 also can increase CMRR and PSRR The performance parameters of a folded-cascode operational amplifier are designed and validated based on process The complete circuit is given and the folded-cascode operational amplifier is analyzed in detail Simulation with spectre at voltage showed that the operat

4、ional amplifier had a DC open-loop gain of. a unity gain bandwidth of, a phase margin of 59, a CMRR of and a PSRR of, and the specification met the design target Key words: Folded-cascode; process; Operational amplifier1引言運算放大器已經(jīng)成為模擬電路設 計中用途最廣，最重要的部件。運算 放大器是具有足夠正向增益的放大 器，當加負反饋時，閉環(huán)傳輸函數(shù)與 運算放大器的增益兒乎無關。

5、利用這 個原理可以設計很多有用的模擬電路 和系統(tǒng)。對運算放大器最主要的要求 是有一個足夠大的開環(huán)增益以符合負 反饋的概念。直觀來說，長溝道，低偏置電 流，多級運放可以實現(xiàn)高增益，然而 這會導致多個極點；高單位增益帶寬 電路乂要求短溝道，高偏置電流，單 極點電路來實現(xiàn)。山于cascode結構 本身具備頻率特性好，輸出電阻高， 主極點山負載電容決定，在各種放大 器結構中功耗最低等優(yōu)點，能夠在不 降低增益帶寬積的條件下提高電路的 直流增益，從而滿足各個方面的需要 。本文從電路設計性能要求出發(fā)， 設計了兩級高增益運算放大器。第一 級為差分輸入單端輸出的折疊式共源 共柵放大器以達到高增益及適當擺幅 的的

6、，第二級采用共源極電路結構 以增大輸出擺幅，同時提供適當?shù)脑?益。不僅從理論上滿足了高增益，高 共模抑制比，高的電源抑制比等要 求，而且經(jīng)過spectre軟件仿真顯源；M7, M8, M9, M10構成共源共柵電 路：Mo差分電路的尾電流源PMOS 管。Vbiasl， Vbias2, Vbias3偏置電壓由偏 置電路提供。圖2折疊式共源共柵運算放大器迫路Folded-cascode operati onal amplifier運放的增益表達式為： Avl=Grn*Routo Gm為輸入差分管的 Ml, M2的跨導gml,2T Rout為輸出節(jié)點 輸出電阻：Rout=gm7* To7* To9

7、以Avl=gml*gm7*rO7*ro9圖1運放的整體結構示，該結構直流增益達到了，相位裕 度達到了。2電路結構圖1的框圖給出了運放的主要部 分。CMOS運放的差分跨導級構成了 運放的輸入級，有時還起從雙端差分 輸入到單端輸出的變換作用。通常， 整個電路的增益，一大部分都是山輸 入差分級提供的，它還可改善噪聲性 能和降低輸入失調(diào)。第二級一般采用 反相器。當差分輸入級沒有完成差分 單端變換時，就山第二級反相器來完 成。偏置電路是用來給晶體管建立適 當?shù)撵o態(tài)工作點。另外，要用補償技 術來穩(wěn)定閉環(huán)特性。Structure of the Op amp2.1輸入差分跨導級設計及分析共源共柵結構的運算放大

8、器根據(jù) 輸入結構的不同分為套筒式和折疊式 兩種方式，套筒式共源共柵運算放大 器由于輸入擺幅小，不利于閉環(huán)使 用；而折疊式共源共柵運算放大器輸 入擺幅和輸岀擺幅都相對高一些，能 夠閉環(huán)使用，因此具有更廣泛的使用 范圍叫設計指標要求開環(huán)增益大于 90dB,這就要求采用兩級放大器。并 且第一級選擇cascode結構以提供高 增益。要求共模輸入電壓范圍是，而 釆用的電源電壓是，因此要釆用 PMOS管輸入的cascode結構。本文 設計的差分輸入單端輸岀的折疊式共 源共柵放大器如圖2所示。其中： Mi, M2z M3/ M4構成折疊式差分電路； Ms, M6構成運放兩支路的偏置電流n)IrefVinlVin2TDDVOID :G1IDCMOS模擬集成電路與設il【M北京：電子工 業(yè)出版社.2005,198. 柳遜.閆娜，吳曉鐵，等一種商性能運算放 大器的設計J微電子學與計算機,2005,22 (6) ：28-33陳恒江,劉明峰,郭良權,等一種