0.6μm_CMOS工艺全差分运算放大器的设计毕业论文.doc

0.6mCMOS工艺全差分运算放大器的设计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80dB，相位裕度达到80，增益带宽为74MHz。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、折叠共源共栅和套筒式共源共栅。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。11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M0M8)采用套筒式全差分放大器结构作为输入级。第二级(即M9M11)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：Av1g2(gm424)(gm66s)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Av可以用第一级和第二级的放大倍数之积来表示：Av=Av1Av212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S1S6为开关，C1C4是共模反馈电容，Vout+和Vout-是运放的输出电压，1和2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，S1S6的开关都是由NMOS管实现的。13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