0.6μm CMOS工艺全差分运算放大器的设计

2009-12-08 18:05:20来源: 电子元器件应用

0 引言

    运算放大器是数据采样电路中的关键部分,如流水线模数转换器等。在此类设计中,速度和精度是两个重要因素,而这两方面的因素都是由运放的各种性能来决定的。

    本文设计的带共模反馈的两级高增益运算放大器结构分两级,第一级为套筒式运算放大器,用以达到高增益的目的;第二级采用共源级电路结构,以增大输出摆幅。另外还引入了共模反馈以提高共模抑制比。该方案不仅从理论上可满足高增益、高共模抑制比的要求,而且通过了软件仿真验证。结果显示,该结构的直流增益可达到80 dB,相位裕度达到80°,增益带宽为74 MHz。

1 运放结构

    通常所用的运算放大器的结构基本有三种,即简单两级运放、折叠共源共和套筒式共源共栅。其中两级结构有大的输出摆幅,但是频率特性比较差,一般用米勒补偿,可使得相位裕度变小,因而电路的稳定性会变差;套筒式的共源共栅结构,虽然频率特性较好,又因为它只有两条主支路,所以功耗比较小。但是这些都是以减小输入范围和输出摆幅为代价的。因此,为了缓解套筒式结构对输入电压范围的限制,本文提出了折叠式运算放大器结构的思路。折叠式结构比套筒式结构有更大的输入共模电平范围,但却以减小增益和带宽,增大噪声和功耗为代价的。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大,因此,本文选择套筒式共源共栅结构作为输入级,最后选择了如图1所示的全差分结构的两级运放结构。

1.1 主运放结构

    全差分运算放大电路对环境噪声具有更强的抑制能力。而套筒式结构则具有高增益、低功耗以及频率特性好等特点。因此,第一级放大结构(即M0~M8)采用套筒式全差分放大器结构作为输入级。第二级(即M9~M11)为共源结构,以改善套筒式结构输出摆幅小的缺点,同时相应提高运算放大器的开环增益。但是,随着级数的增加,必然会增加电路的零极点,这对系统稳定性的要求更高。因此,必须引入补偿电容C3来补偿额外的极点,使电路的相位裕度能满足要求,并使性能稳定。另外,图1申的VB1用于提供尾电流镜偏置,VB2和VB3分别用于为PMOS和NMOS提供静态直流偏置,这三个偏置电压均提供有偏置电路

    对该运算放大器进行小信号分析,可以计算出第一级套筒式全差分结构的放大倍AV1,公式为:

    A v1≈g2[(gm4τ2τ4)·(gm6τ6τs)]

    其中,gm2、gm4、gm6分别表示M2、M4、M6的跨导,r2、r4、r6、r8分别表示M2、M4、M6、M8管的输出电阻。

    第二级共源级放大结构的单端放大倍AV2可用下式计算:

    AV2=-gM10r10

    其中,gM10、r10分别表示M10管的跨导和输出电阻。因此,整个米勒补偿型运算放大器的开环增益A v可以用第一级和第二级的放大倍数之积来表示:

    A v=A v1A v2

1.2 共模反馈电路

    由于本设计采用的是全差分结构,所以,为了通过稳定直流来稳定输出共模电压,保证输出级工作于线性区,通常需要一个共模反馈(CMFB)电路。共模反馈电路一般有两种类型。一种为连续时间式,另一种为开关电容式。本设计采用的是开关电容式结构,图2所示是开关电容式共模反馈电路。其中S1~S6为开关,C1~C4是共模反馈电容,Vout+和Vout-是运放的输出电压,ψ1和ψ2是两相不交叠的时钟信号。VCM是理想共模输出电压,Vb1是理想的共模偏置电压,Vb2是实际的共模偏置电压,即运放中电流源的控制电压。实际中,S1~S6的开关都是由NMOS管实现的。

1.3 偏置电路

    偏置电路主要用于提供折叠共源共栅放大器及共模反馈的偏置电压。本文采用如图3所示的宽摆幅电流源偏置电路结构。在共源共栅输入级中,通常需要三个电压偏置。为了使输入级的动态范围大一些,图3中的宽摆幅电流源用来产生所需要的三个偏置电压。根据宽摆幅电流源的设计要求,设计时必须满足以下关系式:

   

2 电路仿真结果

    采用HSPICE电路仿真工具,并利用上华0.6μm CMOS工艺模型参数,可对电路进行仿真,仿真结果显示:该运放的开环直流增益为80 dB,相位裕度80度,单位增益带宽74 MHz。图4为其幅频及相频特性曲线。由图4可见,电路功耗为1.9 mW;差动输出范围为-2.48~2.5 V;电源电压为2.5 V。

3 结束语

    本文给出了一种低电压全差分套筒式运算放大器的设计方法,同时对该设计方法进行了仿真,从仿真结果可以看出,在保证高增益、低功耗的同时,该设计还可以满足20 MHz流水线模数转换器中运放的设计要求。

关键字:运算放大器  偏置电路  CMOS

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/1208/article_1910.html
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