淺談一種折迭共源共柵運算放大器的設計

本文介紹了一種折迭共源共柵的運算放大器，采用TSMC0.18混合信號雙阱CMOS工藝庫，用HSpice W-2005.03進行設計仿真，最后與設計指標進行比較。

1 引言

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能運算放大器廣泛應用于高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）、開關(guān)電容濾波器、帶隙電壓基準源和精密比較器等各種電路系統(tǒng)中，成為模擬集成電路和混合信號集成電路設計的核心單元電路，其性能直接影響電路及系統(tǒng)的整體性能，高性能運算放大器的設計一直是模擬集成電路設計研究的熱點之一，以折衷滿足各種應用領域的需要。

許多現(xiàn)代集成CMOS運算放大器被設計成只驅(qū)動電容負載。有了這樣只有電容的負載，對于運放放大器，就沒有必要使用電壓緩存器來獲得低輸出阻抗，因此，有可能設計出比那些需要驅(qū)動電阻負載的運算放大器具有更高速度和更大的信號幅度的運算放大器。通過在一個只驅(qū)動電容負載的運算放大器輸出端只有一個高阻抗節(jié)點，可以獲得這些提高，這些運算放大器在其他節(jié)點看到的導納與MOS管的跨導在一個量級上，因此他們具有低阻抗。

有了所有相對低阻抗的內(nèi)部節(jié)點，運算放大器的速度得到最大化，這里還應該提到的是：這些低節(jié)點阻抗使得所有節(jié)點而不是輸出節(jié)點的電壓信號降低，然而，各種晶體管的電流信號可能非常大，對這些運算放大器，應看到補償通常是由負載電容達到的，這樣，當負載電容變大，運算放大器通常變得更穩(wěn)定也更慢，這些現(xiàn)代晶體管最重要的參數(shù)之一是他們的跨導值（即輸出電流和輸入電流的比）。因此，一些設計者稱這些現(xiàn)代運算放大器為跨導運算放大器或者運算跨導放大器（OTA）。

在各種OTA結(jié)構(gòu)中，折疊共源共柵運放結(jié)構(gòu)的運算放大器可以使設計者優(yōu)化二階性能指標，這一點在傳統(tǒng)的兩極運算放大器中是不可能的，特別是共源共柵技術(shù)對提高增益、增加PSRR值和在輸出端允許自補償是有用的。這種靈活性允許在CMOS工藝中發(fā)展高性能無緩沖運算放大器，目前，這樣的放大器已被廣泛應用無線電通信的集成電路中。

本文介紹的運放是一種采用TSMC 0.18 μm Mixed Signal SALICIDE（1P6M，1.8V/3.3V）CMOS工藝的折疊共源共柵運放，并對其進行了DC，AC及瞬態(tài)分析，最后與設計指標進行比較。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，該圖是一個差動輸入單端輸出設計，他的基本思想是將共源共柵MOS管應用于輸出差動對中，但使用的MOS管與輸入級中使用的那些MOS管類型相反，例如，圖中由M1和M2組成的差動對MOS管為N溝道。而由M1c和M2c組成的共源共柵MOS管是P溝道MOS管，這種相反類型MOS管得安排允許這個單增益級放大器的輸出在相同偏置電壓水平上作為輸入信號。應該提到的是：即使一個折疊式共源共柵放大器基本上是一個單增益級，他的增益也可能非常合理，約為700-3000。出現(xiàn)這樣一個高增益是因為增益是由輸入跨導和輸出阻抗的情況決定的，輸出阻抗由于使用了共源共柵技術(shù)而非常高。

圖中顯示的差動到單端的轉(zhuǎn)變是由M5，M5c，M6，M6c。組成的寬幅鏡像電流源實現(xiàn)的，在差動輸出設計中，這些可能被2個寬幅共源共柵電流吸收器所代替，并且可以添加共模反饋電路。

補償通過負載電容CL實現(xiàn)，并實現(xiàn)了主要極點補償。在負載電容非常小的應用中，有必要添加附加的補償電容與負載并聯(lián)來保證穩(wěn)定性。如果想要超前補償，可以添加一個電阻與CL串聯(lián)，當在一些應用中不可能實現(xiàn)超前補償時，例如當補償電容主要由負載電容提供時，這種方法在很多情況下都適用，而許多設計者似乎沒有意識到這一點（也就是說，在很多情況下，都可以在負載電容上串聯(lián)一個電阻）。

輸入差動對MOS管的偏置電流等于Ib1/2。P溝道共源共柵MOS管在任意一個（M1c或者M2c）的偏置電流，等于M3或者M4的漏極電流減去Ib1/2，因為（W/L）3=（W/L）4=（W/L）8b，所以這個漏極電流由Ib和（W/L）81/（W/L）11比率確定，由于共源共柵晶體管之一的偏置電流由電流相減得到，所以他要準確建立，需要Ib2和Ib3從一個單偏置網(wǎng)絡得到。此外，得到這些電流的任何鏡像電流源應由單位大小的MOS管并聯(lián)形成的MOS管組成，這種方法可以消除寬度不同的MOS管引起的二階效應造成的誤差。

3 測試分析

Vdd=3V，Ib=62.5μA，CL=5pF

圖1中各MOS管的參數(shù)如表1所示。

對圖1所示的運算放大器進行仿真，開環(huán)結(jié)構(gòu)的電壓傳輸曲線、頻率響應、小信號增益、輸出和輸出電阻都可以仿真。

從圖2中看出：開環(huán)輸出電壓擺幅從0.3-2.7V，最后得到仿真結(jié)果與設計指標的比較，見表2。

4 結(jié)語

本文解釋的運放是一種折疊共源共柵運放，具有高直流開環(huán)增益、低輸入失調(diào)電壓、高速等特點，TSMC0.18混合信號雙阱CMOS工藝的BSIM3（V3.2）模型參數(shù)，利用HSpice W-2005.03等仿真工具對其進行了DC，AC及瞬態(tài)分析。

仿真結(jié)果表明，本文實現(xiàn)的運放具有73dB的直流開環(huán)增益，在5pF的負載電容條件下，運放的單位增益頻率為3MHz，相位裕度為88°，輸出電阻為47.8MΩ。

可以看出，設計幾乎是令人滿意的，微小的調(diào)節(jié)可以通過改變W/L比或直流使放大器工作在指定的范圍。

編輯：jq