一種高性能折疊共源共柵單級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)概述

運(yùn)算放大器是模擬電路中最重要和最通用的單元電路之一，同時(shí)也是許多模擬系統(tǒng)和數(shù)／?；旌?a target="_blank">信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)完整模塊。運(yùn)放具有足夠大的正向增益，當(dāng)加負(fù)反饋時(shí)，閉環(huán)傳輸函數(shù)與運(yùn)算放大器的增益幾乎無(wú)關(guān)。利用這個(gè)原理可以設(shè)計(jì)很多有用的模擬電路和系統(tǒng)。對(duì)運(yùn)算放大器最主要的要求是有一個(gè)足夠大的開(kāi)環(huán)增益以符合負(fù)反饋的概念。模擬電路的速度和精度與運(yùn)算放大器的性能有關(guān)，為了得到更快的速度和更高的精度，要求運(yùn)算放大器具有更寬的單位增益帶寬和更高的直流電壓增益。

目前常見(jiàn)的幾種放大器結(jié)構(gòu)包括兩級(jí)運(yùn)算放大器、套筒式共源共柵放大器以及折疊共源共柵運(yùn)放等。兩級(jí)運(yùn)放的輸出擺幅在各種放大器結(jié)構(gòu)中是最大的，然而其主要缺點(diǎn)是頻率特性差；套筒式運(yùn)放在各種放大器結(jié)構(gòu)中功耗最低、頻率特性好、速度高和帶寬大，但該電路的信號(hào)共模輸入范圍和輸出擺幅太??；折疊式共源共柵運(yùn)算放大器具有增益帶寬大、低頻增益高、擺幅大、速度高、頻率特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。R Assaad等人提出的復(fù)用型折疊式共源共柵（Recycling Folded Cascode，RFC）結(jié)構(gòu)比折疊共源共柵運(yùn)算放大器具有更高的增益帶寬、低頻增益和擺率，同時(shí)并不增加功耗和設(shè)計(jì)面積。本文利用復(fù)用型折疊式共源共柵單級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在5 V電壓下驅(qū)動(dòng)5 pF負(fù)載電容，設(shè)計(jì)了一個(gè)單級(jí)運(yùn)放。使增益帶寬為52．79 MHz，低頻開(kāi)環(huán)增益為71．7 dB，相位裕度為60．45°，相比文獻(xiàn)中的折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的增益帶寬4．05 MHz，提高了約13倍；低頻開(kāi)環(huán)增益為43．5 dB，提高了28 dB；相位裕度為59°，而相位裕度在60°以上系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，所以該復(fù)用型折疊式共源共柵單級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性上也有一定改善。

1 電路分析以及設(shè)計(jì)

1．1 折疊式共源共柵運(yùn)算放大器電路分析

文獻(xiàn)中的折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的輸入級(jí)均采用差分放大器的電路結(jié)構(gòu)，選用輸入管時(shí)，一般采用PMOS管，整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1（a）為偏置電路，I1和I2是基準(zhǔn)電流，偏置電路提供主電路中所用的所有偏置電壓，在實(shí)際中為了滿足匹配，偏置電路中管子長(zhǎng)度應(yīng)該與運(yùn)放中相應(yīng)的管子的長(zhǎng)度相等。圖1（b）為運(yùn)放主結(jié)構(gòu)，其中M0為折疊共源共柵運(yùn)放的輸入管提供偏置電流。M1，M2為PMOS差分輸入管，M5，M6與M1，M2形成輸入共源共柵管，M7，M8，M9，M10構(gòu)成的共源共柵鏡把雙端輸出轉(zhuǎn)化成單端輸出，并提高了輸出阻抗，有益于提高增益。

1．2 RFC電路設(shè)計(jì)及分析

新型的復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器是從文獻(xiàn)中折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。如圖2的復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器主電路中，文獻(xiàn)中折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的M1，M2被分成M1a，M1b，M2a，M2b，流過(guò)每個(gè)管子的電流為IO／2。M3，M4被分成電流鏡M3a，M3b和M4a，M4b，比率為3：1，這種電流鏡的跨接確保了小信號(hào)電流來(lái)源于M5，M6的源端，M11，M12的輸入電壓大小與M5，M6相同，設(shè)計(jì)管子寬長(zhǎng)比尺寸一樣，M11，M12維持了M3a，M3b，M4a，M4b漏電勢(shì)，幫助改善它們之間的匹配性。

圖2中左邊部分為偏置電路，其中Vbp1為M0管提供偏置電流，Vbp2為M7，M8提供偏置電壓。Vbn2為M5，M6，M11，M12提供偏置電壓。I1，I2為外部引入的基準(zhǔn)電流。在引入I2后，流過(guò)M1，M14，M15，M16的電流相同，根據(jù)電流公式，寬長(zhǎng)比與Von（過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓）成反比，調(diào)節(jié)寬長(zhǎng)比使|Von|在120～400 mV之間，很容易就能得到Vbp1。計(jì)算Vbp1，Vbp2的方法相同。在電路進(jìn)行DC仿真時(shí)，M1和M13工作在線性區(qū)。

為了證明復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器相比文獻(xiàn)中折疊式共源共柵運(yùn)算放大器具有的優(yōu)越性，在分析電路時(shí)，假定所有管子工作在飽和區(qū)，飽和區(qū)電流公式為：

首先分析兩種電路的低頻增益，低頻增益的公式為：Av=GmR0。在折疊式共源共柵運(yùn)算放大器運(yùn)放中：GMFC=gm1；復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器中：GMRFC=4gm1a，考慮到M1的尺寸是M1a的2倍，由公式Gm=2I／（VGS-VTH）可知，gm1=2gm1a，在相同的輸出電阻情況下，2倍的輸入跨導(dǎo)，大約會(huì)給運(yùn)放帶來(lái)6 dB的增益提升。在兩個(gè)運(yùn)放的輸出電阻分析中，由運(yùn)放主電路的右邊電路的小信號(hào)模型有：

ROFC=gm6 rds6（rds2‖rds4）‖gm8 rds8 rds10 （2）

RORFC=gm6 rds6（rds2a‖rds4a）‖gm8 rds8 rds10 （3）

假設(shè)其他參數(shù)相同的條件下，由公式rds=1／（λID）可知，RORFC比RRFC大。因此，復(fù)用型比傳統(tǒng)型折疊式共源共柵運(yùn)放在低頻增益上有8～10 dB的提升。

低頻增益和帶寬的乘積叫做增益帶寬（GBW），目前它是放大器的品質(zhì)因數(shù)，也是放大器的最重要的指標(biāo)。在增益開(kāi)始下降的那一點(diǎn)稱(chēng)為帶寬BW或者-3 dB頻率，它由輸出電阻R與負(fù)載電容C的乘積所得的時(shí)間常數(shù)決定。在電路設(shè)計(jì)中，帶寬公式為：

其中g(shù)m1=2gm1a，從公式可以看出GBWRFC比GBWFC要大很多。在設(shè)計(jì)復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)算放大器時(shí)，要使其穩(wěn)定工作，其相位裕度（PM）要保證在60°以上。公式為：

式中：fp1為運(yùn)放主極點(diǎn)；fp2運(yùn)放非主極點(diǎn)；fz為運(yùn)放零點(diǎn)。在復(fù)用型折疊式共源共柵運(yùn)放中，主極點(diǎn)是由時(shí)間常數(shù)RORFC CL決定，非主極點(diǎn)由M5，M6源端寄生電容C2和該點(diǎn)的電阻R2的乘積決定。為了使運(yùn)放的相位裕度保持在60°以上，必須使得非主極點(diǎn)頻率大于2．2倍增益帶寬。在復(fù)用型折疊式共源共柵中，M5，M4源端的寄生電容為：

C2=CGS5+CSB5+CGD3a+CdB3a+CGD1a+CdB1a

在圖3中，M1a的電流I1a與M5的電流I5都流過(guò)M3a，M3a必須要有足夠的柵寬以滿足在比較小的驅(qū)動(dòng)電壓下能傳導(dǎo)大電流，所以寄生電容CGD3a和CdB3a相當(dāng)大。f2=1／（C2R2），C2大，f2就會(huì)變小。要使f2大于2．2倍增益帶寬，必須推高f2。用減少流入M3a和M4a的電流的方法就可以達(dá)到目的。因?yàn)殡娏鳒p小，M3a和M4a的柵寬也相應(yīng)減小，從而C2也減小，f2便增大。

2 電路仿真結(jié)果

圖2中各個(gè)MOS管的參數(shù)如表1所示。

所設(shè)計(jì)的電路仿真用Cadence公司的模擬仿真工具Spectre，仿真模型用CSMC0．5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝模型。電路交流仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖中增益曲線看出曲線在頻率10 kHz處開(kāi)始下降，所以帶寬為10 kHz，增益為71．7 dB。頻率大于10 kHz，其增益開(kāi)始降低，降低到0 dB處的頻率為增益帶寬，值為52．79 MHz。由圖中相位曲線看出，增益降為0 dB時(shí)，相位為-119．55°，相位裕度就為60．45°。所以電路增益帶寬為52．79 MHz，低頻增益為71．7 dB，相位裕度為60．45°。與文獻(xiàn)中折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的增益帶寬4．05 MHz，低頻開(kāi)環(huán)增益43．5 dB，相位裕度59°相比，其在增益，帶寬和系統(tǒng)穩(wěn)定性上都有很大提高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在文獻(xiàn)中折疊共源共柵運(yùn)放和復(fù)用型折疊共源共柵運(yùn)放的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高性能折疊共源共柵單級(jí)運(yùn)放，具有高開(kāi)環(huán)低頻增益、高增益帶寬。采用CSMC0．5μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝模型，Cadence公司的模擬仿真工具Spectre對(duì)電路進(jìn)行直流和交流仿真。結(jié)果表明：電路的增益帶寬為52．79 MHz，低頻開(kāi)環(huán)增益為71．7 dB，相位裕度為60．45°，其各項(xiàng)指標(biāo)與均有較大提高，設(shè)計(jì)令人滿意。