高增益CMOS全差分运放的研究和设计-硕士论文

电子科技大学 硕士学位论文 高增益CMOS全差分运放的研究和设计 姓名：高涛 申请学位级别：硕士 专业：微电子与固体电子技术 指导教师：杨谟华 20050301 摘要 当前电子产品，特别是半导体集成电路芯片的需求日益广泛，在性能方面 的要求也越来越高，这使得我们从电路结构、材料、工艺等多个方面考虑来加 以改进。对产品内部的电路结构进行优化设计，就是一个很重要的出发点。 由于运算放大电路是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部 分，而且也是构成这些系统的基本单元，所以在进行设计和优化中占据着一个 重要的位置。运算放大器单元性能的提高，能够使得整个系统的性能上一个台 阶。目前国内外的研究工作不是很多，而且主要集中在高速的信号处理以及低 功耗等应用环境，这些都是可以进行突破的领域。 本文先从C M O S 运算放大电路的基本参数出发，介绍了运算放大器的主要指 标：开环增益、输出摆幅、转换速率、噪声等，这些参数是对电路性能好坏的 界定。 其次，分析了目前常见的全差分放大电路结构，主要有基本的全差分结构、 折叠式结构( f o l d e d - - c a s e c o d ) 、套筒式结构( t e l e s c o p i c ) ，并对共模反馈的常 见结构和性能做了一个基本的分析，这是我们进行设计的技术基础。 接着，设定了所要设计运算放大器单元的性能指，要求电路实现高的开环 的增益、低的功耗等，从这个几个参数出发，选择了电路的结构，即套筒式 ( t e l e s c o p i c ) 运放结构，详细设定电路中器件的参数，并选用现有的共模反 馈方式和偏置电路，对电路进行直流特性、交流特性、噪声仿真，所设计运算 放大器达到开环增益为7 8 d B ，功耗只有1 5 m W 的良好结果，基本上满足了设计 要求。 最后在熟悉使用c a d e n c e 使用平台，以及详细了解版图设计的规则上的基 础上，初步完成整个套筒式结构的版图。 关键词：运算放大器，套筒式( t e l e s c o p i c ) ，增益，共模反馈，C M O S W h i l et h ee l e c t r o n i c p r o d u c t s ，e s p e c i a lI C ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，t a k e m a i n p o s s e s s i o no f t h em a r k e ta n dt h e i rp e r f o r m a n c ea r ei nh i g hc h a l l e n g e T os o l v et h i s p r o b l e m ，w e h a dt ot a k ec a r ei ns u c ha s p e c ta sc i r c u i ts t r u c t u r e 、m a t e r i a l 、t e c l m o l o g y H e r e ，w ea r ed e v o t e d t ot h er e s e a r c ho f t h ec i r c u i to p t i m i z a t i o n O p e r a t i o n a la m p l i f i e r i saf u l la n db a s i c p a r to fm o s ta n a l o gs y s t e ma n d m i x e r - s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，a n di t i sc r i t i c a li nt h ed e s i g nG o o dp e r f o r m a n c e o p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i l le n h a n c et h ep r o p e r t i e so f t h es y s t e m N o w , t h er e s e a r c h f o c u so nt h eh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dl o wp o w e r d i s s i p a t i o n ，w h i c ha r e a p p r o p r i a t ed o m a i n s w ec a nm a k eb r e a k o u t I nt h i sa r t i c l e ，w ef i r s ti n t r o d u c et h es p e c i f i c a t i o n so ft h eC M O S o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r T h e s es p e c i f i c a t i o n i n c l u d e o p e nl o o pg a i n 、o u t p u ts w i n g 、s l e wr a t e 、n o i s e ， w h i c ha r et h ec r i t e r i o n so ft h ea m p l i f i e r T h e n ，t h ea r c h i t e c t u r e a n df u n c t i o no f a m p l i f i e r sa r ea n a l y z e d ，m a i n l yb a s i cd i f f e r e n t i a lp a i r , f o l d e d - c a s c o d ea n dt e l e s c o p i c o p e r a t i o n a la m p l i f i e r A tt h es a m et i m e ，w ed i s c u s st h ec o m m o nm o d ef e e d b a c k c i r c u i ta n di t s p r o p e r t y T h u s i st h es t a r t p o i n to fo n rd e N g nw o r k A n dt h e n ， c o n s i d e r i n g t h e h i g hg a i n a n dl o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，t e l e s c o p i co p e r a t i o n a la m p l i f i e r i s i m p l a n t e da n d t h e p a r a m e t e r i s s p e c i f i a b l e T h e D Cc h a r a c t e r i s t i ca n dA C c h a r a c t e r i s t i ca n dn o i s e a n a l y s i s a r es i m u l a t e d W eg e t g o o d r e s u l t s ：7 8 d B o p e n l o o pg a i na n d15 m Wp o w e rd i s s i p a t i o n I ta l m o s tm e e t sO U re x p e c t e dg o a l A tt h el a s t ，w i t ht h ek n o w l e d g eo f u s a g eo f c a d e n c ea n dt h ed e s i g nr u l e so f l a y o u t ， w ed r a wt h es t r u c t u r eo f t h e t e l e s c o p i co p e r a t i o n a la m p l i f i e r k e yw o r d s ：O p e r a t i o n a lA m p l i f l e r ；t e l e s c o p i c ；g a i n ：C M O S ；c o m m o nm o d e f e e d b a c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：i 鱼塑日期：2 0 0 5 年，月二，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 0 0 5 年，月a 7 日 皇王型垫丕堂堡主兰垡丝茎 第一章引言 1 - l 研究背景及意义 近年来，电子产品的种类越来越多，特别是半导体集成电 路产品，广泛涉及到军事，民用领域的各个方面。现在一些热门的 如计算机、多媒体技术、数字信号处理、通信等行业，人们对其性 能的要求也越来越高，这些要求包括高的处理速度、高的运算精度、 低的功耗等几个主要方面。这对设计和生产也带来了很大的压力和 动力，也是一个很迫切需要解决的问题。 要解决这个问题，就要求我们在这类产品的内部的电路结构， 以及器件材料以及工艺等多方面进行研究，是一个非常广泛的课 题。但是如果对电路结构进行研究，首先就要考虑的就是运放大电 路。因为运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个 完整部分，而且也是构成这些系统的基本单元。例如在运算放大电 路在模拟运算、信号处理、模数和数模转换器以及有源滤波器等等 许多方面有广泛的应用。这些系统的性能在很大程度上都是受到内 部运算放大器性能的影响，以至于成为这些性能突破的瓶颈。 所以我们认真研究基本的电路结构，通过对电路性能的分析， 并提出改进性能的方法，设计出在性能上改进的运算放大电路基本 单元，使得系统的总体性能上一个台阶。 1 2 国内外研制动态 集成运放的不断发展，电路的性能也在不但提高，其应用领域 也目益增大。丽对于基本的放大电路，在低压、高增益以及低功耗 等方面也有进一步的发展，特别是对于套筒是放大电路 ( T e t e s c o p i cO p a m p ) ，国外开展了极其广泛的研究。从1 9 8 1 年至 今已经有三百多篇这方面的文章陆续发表在I E E E 上面，现在仍然 是研究的热门课题。从这些的研究成果中，我们可以看到国际上运 电子科技大学硕士学位论文 算放大电路设计的最新动态。 K u s hG u l a t i h 和H a e S e u n gL e e 于1 9 9 8 年I E E E 上发表的文 章AH i g h S w i n gC M O S T e l e s c o p i cO p e r a t i o n a lA m p l i f i e r ( I E E E J o u r n a lo fS o l i dC i r c u i t ，V O L3 3 ，N O 1 2 ) 摆幅在一2 4 5 + 2 4 5 之间，3 3 v 的供电电源具有9 0 d b 的差动增益以及9 0 M H z 的增益 带宽，共模抑制比( C M R R ) 也超过5 0 d b 。还有在2 0 0 1 年4 月， S h i y i n gX i o n g 和M i nS h e ( U n i v e r s i t yo f C a l i f or n i aa tB e r k e l e y ) 共 同发表了文章AF u l l yD i f f e r e n t i a lT r a n s c o n d u c t a n c e A m p l i f i e r ， 运放的开环增益在8 0 d b 以上，整个运放的动态范围在7 1 d b ，单位 增益带宽在5 0 0 M H z 以上( 在低速为5 13 M H z ，中速为5 1 4 M H z ， 高速为5 6 7 M H Z ) 。 国内的工作相对而言要少一些，主要有复旦大学朱臻等人在 2 0 0 1 年的复旦大学学报上发表一种用于高速A I D 转换器的全差 分C M O S 运算放大器( O T A ) 一文中，设计了一个带宽为5 9 0 M H z ， 开环增益为9 0 d B ，功耗为15 m W ，能够满足高速A I D 转换器所有 性能指标的t e l e s c o p i c 运放。以及西安大学黄立中等人发表的文章 1 0 位2 0 M s a m P l e sC M O S 流水线A I D 转换器的设计一文中介 绍了他们设计的t e l e s c o p i c 运放在1 5 p f 下单位增益频率为 10 5 M H z ，开环增益为8 0 d B ，建立时间小于2 0 n s 的高性能运放。 这些都说明目前对基本的运算放大电路的要求越来越高，而且 搞好基础研究，有利于电路设计的整体发展。 1 3 本文的工作以及文章组织 本文就是对工作在3 V 的运放放大电路进行研究，并分析各类 运放的性能指标。按照所提出的性能指标选择电路结构，这里我们 采用的是运算放大电路中的套筒式( t e l e s c o p i c ) 结构。通过对其性 能的分析，并进行器件参数上的优化，设计出一个增益在7 8 d B ， 功耗只有l5 r o W 的运算放大器单元，基本能够满足了设计的要求， 最后在C A D E N C E 上画出版图。 电子科技大学硕士学位论文 本文分五部分，第一部分是前言，介绍当前对电子产片的需求 情况以及设计一个高性能运算放大电路设计的原因，并简要说明本 文研究的主要问题和文章组织；第二部分是介绍了电路的性能参数 的定义以及其说明，确定了当前对运算放大器的要求，即是我们常 说的性能指标；第三部分是对几种主要全差分结构的运算放大电路 和共模反馈电路进行分析和研究，这是设计的出发点，是后续设计 的主要依据。第四部分是对电路的设计和性能仿真，详细说明电路 的选择和单元的设计和实现，以及仿真的结果；第五部分介绍了版 图的设计的一些基本概念以及设计准则；第六部分是一个总结性的 说明。 电子科大硕士学位论文 第二章运算放大器的性髓指标 2 0 年前，多数的运放被设计成通用的模块，适应不同的要求。这 些努力，企图制造一种“理想”的运放，既具有高的电压增益、高的 输入阻抗以及非常低的输出阻抗，又具有良好的速率、输出摆幅等。 实际上，满足上述的某些性能不可避免地要牺牲其它性能为代价。 这是因为运算放大器的各个参数之间相互制约，相互影响。所以我们 今天的运放设计，从开始就认识到各个参数之间的折中关系，在整体 中进行多方面的综合考虑。 这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参 数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。 在后面的设计中，我们将进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处 理办法。 2 1 开环增益( o p e nl o o pd eg a i n ) 开环增益即开环差模电压增益，是指运算放大电路正常工作，接 入规定负载，无反馈情况下的直流差模增益。开环增益与输出电压有 关，通常是在规定的输出电压幅度测得的值。 现在运算放大电路的开环增益受其使用环境所控制。一般对于集成 电路而言，其增益要求就比较严格，以确保精度。例如常用的模数转 换器( A D C ) ，其中集成的运算放大器的增益，就是由这个A D C 的每 一级的增益误差容限所决定。假如整个A D C 的总的误差容限为L S B 2 ( L S B ，最小有效位) ，那么这个N 位的A D C 的运算放大电路的开环 增益以有： 以 2 + 1 2 2 开环带宽( b a n d w i d t h ) 4 电子科大硕士学位论文 运算放大电路工作在高频环境中，工作频率变化时，其开环增益 也随之发生变化。一般表现为工作频率增加，开环增益下降，如图2 1 。 2 0 l o g A 图2 1 增益频率变化曲线 开环带宽就是描述运算放放大器稳定工作的频率区间，也称之为一 3 d B 带宽，是指开环差模电压增益下降3 d B 时对应的频率五。 2 3 输出摆幅( o u t p u ts w i n g ) 输出摆幅即输出信号的幅度范围。现在使用运放的系统要求大的电 压摆幅以适应大范围的信号值。例如，能响应管弦乐队音乐的高质量 的话筒可以产生的瞬时电压范围大于四个数量级。 所以对大摆幅的需求使全差分的运放使用相当普遍。但是，由于对 于运算放大电路，最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度之间， 其性能指标是相互制约、可以互换的。这对于运放设计而言，大的摆 幅是一个很重要的课题。 2 4 转换速率( s l e wr a t e ) 转换速率是测量输出信号的最大斜率变化的量，其定义为放大电路 在闭环状态下，输出为大信号( 例如阶跃信号) 时，放大电路输出电 压对时间的最大变化率，对于一般的单端运算放大器如图2 2 ： 则有如下的计算公式： 曲：M 瓤( 车踟。f ) 珊 但是在大信号的高速处理中，并不希望转换这种现象存在，因为在 电子科大硕士学位论文 转换期间，输入输出关系是非线性的，转换放大器的输出会表现出很 大的失真。 I R 图2 2 转换速率的测量图 2 5 建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 建立时间是用来描述电路的输出信号的稳定状况，如图( 图2 3 ) ： 输入的信号经过工作电路后，输出信号经过一定时间内的起伏最后趋 近稳定。对于阶跃响应信号，建立时间包括建立时间和保持时间。 图2 3 建立时间测量曲线 6 电子科大硕士学位论文 2 6 电源抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 运算放大器的电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须 适当地“抑制”噪声。而电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏 差的程度的量。一般定义它为：从输入到输出的增益除以从电源到输 出的增益。 因为现在的运算放大器逐渐出趋向于低压低功耗，对供电电源的要 求也越来越高。 2 7 共模抑制比( c o m m o nm o d e r e j e c t i o nr a t i o ) 共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一 项技术指标，其定义为放大电路对差模信号的电压增益如( 左图) 与 对共模信号的电压增益如( 右图) 之比的绝对值，即： 。a f ne 图2 4 共模增益的测试原理图 ，l A d dJ K 一2 J 捌 no 差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制能力越强， 放大电路的性能越优良，因此希望值越大越好。共模抑制比有时 也用分贝( d B ) 数来表示： 7 电子科大硕士学位论文 = 2 叫A 屯d d I d B 2 8 功耗( p o w e rd i s s i p a t i o n ) 由于越来越多运算放大电路应用于便携式设备以及电池电源供电， 电路的功耗就值得关注了。特别是现在的笔记本电脑，由于发热以及 工作时间等问题，对电脑性能有一定的影响，也对使用者引起一些不 方便。 所以减小功耗能够使得系统更加精简，也使得电源的寿命更长久， 而且也能使得芯片在一个适当的温度下工作。 2 9 噪声( n o i s e ) 噪声限制了电路能够正确处理的最小信号电平，所以它与功耗速 度忽然线性度之间是相互制约，是一个重要的参数。 而集成电路处理的模拟信号主要会受到两重不同类型的噪声损坏 ( c o r r u p t ) ：器件噪声和“环境”噪声，环境噪声( 表面上) 指电路所 受到的电源或地线或者衬底的随即干扰。这里主要讨论器件噪声：热 噪声和闪烁噪声( 1 f ) 的概念，在后面的电路分析中会对其影响做详 细的说明。 热噪声：由导体中的电子随机热运动产生，也称之为约翰逊噪声。 其表达式为： v 2 = 4 k T R A f( 2 一l 一5 ) 其中k 是波尔兹曼常数，R 是热噪声等效电阻。 M O S 晶体管也有热噪声，最大噪声是在沟道中产生，可以证明 ， 对于工作在饱和区的长沟道M O S 器件，可以用一个连接在漏源两端的 电流源来模拟，如图2 5 ，其谱密度为： ，2 = 4 k T y g , 究。 在长沟道器件中，y 一般取值为2 3 ，在亚微米模型中，还有待研 I2 4 k T y g 。 图2 5M O S 管的等效热噪声图 闪烁噪声( 1 f 噪声) ：是由半导体中的载流子的陷阱随机捕获或者 释放载流子而形成。在实际中，其噪声平均功率并不容易测得。1 f 噪 声一般作为一串联于晶体管栅极的电压源，在低频时起主要作用。 典型的噪声功率谱密度表达式为： 尹：j L 上 ”C o , W LA f 电子科大硕士学位论文 第三章电路分析 前面我们介绍了电路的一些指标，这里我们对具体的电路进行分 析。主要介绍当前的一些全差分运放的结构，主要是基本的差分结构、 折叠式( f o l d e d ) 和套筒式( t e l e s c o p i c ) 的运算放大电路结构，介绍其 性能特性以及详细的电路分析，最后对提出了共模反馈电路在高增益 电路中的作用以及具体的电路分析。 这里我们对电路具体结构做的是一个比较详细的介绍，这是我们 进行具体设计的一个前提工作。由于运放的使用范围的广泛性，使得 我们在进行设计的时候，要根据具体的性能要求作出适当的选择，然 后进行优化，以实现其要求。并且，对基本的电路的分析，也是我们 进行课题设计的第一步。 3 1 基本的单端输出的运算放大电路 3 1 1 基本结构 如图3 1 所示的运放是一种最简单全差分运放电路，它是由P M O S 管作为输入管，N M O S 管作为负载管组成。这种运算放大电路的最大 优点就是能够提供大的输出摆幅，如图3 2 所示。 通过计算有： 。= V d d 一2 V d s V t h ( 3 1 一1 ) 电子科大硕士学位论文 V D D 图3 1 基本全差分运放的结构 3 1 2 性能分析 这种结构虽然能够提供高的输出摆幅，但是其开环增益有限，分 析其小信号增益有： 4 ：一g 。( 上r 0 I lr o D g 。N 、g m P g m N 用器件的尺寸表示有 A v 兰 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 电子科大硕士学位论文 。O V d s s a t v t h 一瀵i D y n er a m i CR a t g e 图3 2 单端输出的摆幅范围 公式( 3 1 3 ) 虽然说明了在一定工艺下晶体管参数对其的影响， 但是实际中因为从输出管的漏端看到的输入阻抗最大只能达到1 0 0 K 欧姆，如果该电路的输入跨导只有5 m S ，那么这种结构能够提供的最 大增益就只有4 0 d B 了。其增益和相位曲线见图3 3 1 2 电子科大硕士学位论文 图3 ，3基本差分对的增益相位特性 3 2 折叠式运算放大电路( F o l d e dC a s e o d e ) 3 2 1 折叠运放的拓扑结构 如图3 4 所示，这种结构主要的优点在于对电压电平的选择，它 在输入管上端并不“层叠”( s t a c k ) 一个共源共栅管。所以输出摆幅的 最小值为( 1 i d s ，s a t 3 + V d s ，s a t 5 ) ，最大值为( V d d V d s ，s a t V d s ，s a t ) ，输 出摆幅为( V d d 一4 V d s s a t ) 。 电子科大硕士学位论文 7 0 图3 4 折叠结构的拓扑图 3 2 2 增益的计算 利用图3 。5 所示的小信号图，利用1 4 l = G m R o u t ，我们分别计算出 G m 和R o u t 。在图3 5 中，电路的输出电流约等于晶体管M l 的漏电流， 并且从晶体管M 3 看到的阻抗大大地低于( R o n l | I R o n 5 ) 即： ( g m 3 + g m b 3 ) “R o n 3 R o n l R o n 5( 3 2 一1 ) 则有：G m = g m l( 3 2 2 ) 选择计算R o u t ： 在图3 6 中，R o p = ( g m 7 + g m b 7 ) R o n 7 * R o n 9 ( 3 2 3 ) 那么有： R o u t = R o p ( g m 3 + g m b 3 ) R o n 3 ( R o n l I I R o n 5 ) ( 3 2 4 ) 刿椰 电子科大硕士学位论文 所以 l A , , l = g m l ( g i n 7 + g m b 7 ) R o n 7 + R o n 9 I I ( g m 3 + g m b 3 ) R o n 3 ( R o n lI IR o n 5 ) 】 0 0 O 图3 5 折叠结构的分析图 在如图3 6 的折叠式共源共栅运放结构，采用的是P M O S 管对作 为输入管，而相对于N M O S 管对而言，它的跨导是比较低的，并且在 图3 6 中，晶体管M 5 和M 1 并联，减小了输出阻抗，特别是流过M 5 电子科大硕士学位论文 的电流既有流经输入管的，也有流经共源共栅管的，所以对电路的性 能也有影响。而且相对于下面将要介绍的套筒式( t e l e s c o p i c ) 结构运 放而言，折叠运放的开环增益要小1 2 到1 3 。 0 主 7 0 图3 6 折叠结构的等效分析图 3 3 套筒式运算放大电路( t e l e s c o p i c ) 3 3 1 电路的拓扑结构 电路的拓扑结构如图3 7 ，这种结构相对于基本的全差分对结构， 如上文提到的第一种结构而言，式采用共源共栅来增大P M O S 和 N M O S 的输出阻抗，还是一种共源共栅的差动形式，但是极大的提高 了电路的差动增益。 这种电路虽然能够极大的提高增益，但其代价是要消耗更多的电压 余度，这表现在输出端为电路的输出摆幅相对与相同条件下的折叠式 结构来讲，其值要小一些。对于现在的低压电路而言，这种缺点就表 现得尤为要紧。 1 6 电子科大硕士学位论文 套筒结构还有一个最大的问题就是输出不能直接反馈到输入端， 而且必须使用共模反馈以确保电路的稳定性。这个我们在后面对共模 反馈结构进行了具体的研究，在设计中也采用了其中的一种结构来保 证性能。 _ 0 图3 7 套筒结构的拓扑图 3 3 2 增益的计算 电子科大硕士学位论文 为了对电路的性能做一个简要的分析，看图3 8 所示的简图，增 益值的表达式为： A v O = g m l ( R o u t l | | R o u t 2 ) R o u t l 和R o u t 2 可以表示为： R o u t l = R o n l + R o n 2 x f l + g i n 2 R o n 3 ) R o u t 2 = R o n i n + R o n 3 ( 1 + g i n 3 x R o n i n ) 假设有g m 3 R o n i n 1 ，化简上述两式，有 R o u t l = g m l R o n 2 R o n l R o u t 2 = g m 3 R o n 3 R o n i n 则，增益可以详细的表示为： ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) A v O = g r a i n x ( g m 2 R o n 2 x R 0 1 ) I I ( g i n 3 R o n 3 R o n i ) ( 3 3 5 ) 图3 7 套筒结构的等效分析图 8 电子科大硕士学位论文 7 0 0 。0 图3 8 套筒结构的噪声等效分析图 3 3 3 套筒式运放电路的噪声分析 由于电源电压比较低，就必须考虑噪声因素的影响。前面提到的 几种噪声，在这里作一个具体的分析。 如图3 8 所示，晶体管M 1 的噪声电流和负载R l o a d 上的电流流经 负载R l o a d ，这时，这两个器件所产生的噪声可以量化位一个l f 噪声 可以忽略的共源级电路。则其噪声的表达式为： A v O = g r o i n ( g m 2 R o n 2 R 0 1 ) l ( g m 3 R o n 3 R o n i n ) ( 3 3 6 ) 4t丁(三+萧139mlg m lx R l o a d ) 、 z 在相当的频率工作状况下，套筒结构中共源共栅产生的噪声相对 于M 1 、M 2 、M 7 、M 8 这四个晶体管而言，是可以忽略的，因为这四 个晶体管是主要的噪声源。利用R l o a d 的表达式，则总的噪声我们可 电子科大硕士学位论文 以表示为： 届= 。灯( 翥协丽g m 7 ，+ 而面2 K n 两2 丽高等 ( 3 3 8 ) 3 4 共模反馈 在高增益放大器中，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感， 而且不能通过差动反馈来达到稳定，这就必须采用共模反馈来实现。 因为对于单端输出的运算放大器，起输出直流水平是由电流镜决定， 而全差分的运算放大器，共模的范围就主要由电流镜的偏置电压决定， 所以增益的数值很大程度上是依赖于偏置电压的精度。图3 9 就是一 个全差分运放没有共模反馈的直流增益图。 弭I _ 圈 号一” 一珊 一 图3 9 无共模反馈的输入增益曲线 从图上看出，运放的工作点不是很稳定的，稍微的共模输入变化， 就会导致直流增益的巨大改变。 采用共模反馈后，其直流增益图如图3 1 0 电子科大硕士学位论文 号一1 髓 一2 朋 、 一 | 量叠 图3 t 0带有共模反馈的输入增益曲线 连续时域的共模反馈 连续时域的共模反馈采用法如下框图所示 V i n p o - - I 图3 1 1 共模反馈原理图 它分为三个部分：检测输出共模电平：同一个参考电压比较；将误 差送回放大器偏之置网络。下面对其作详细的介绍。 首先式检测共模电平，我们必须确定输出的共模电平。为了不影响 2 1 电子科大硕士学位论文 输出信号，我们采用大的电阻，一般值在1 0 M 欧姆以上。 撮常用的结构如图3 1 2 所示，由于有 0 图3 1 2电阻式反馈检测电路 吃，伽= ( f 1 + 2 ) 2 ( 3 4 1 ) 其中圪。，和圪。是两个单端的输出电压，采用该图的结构后， 圪。= ( R + 恐，2 ) ( R i + R ) ( 3 4 2 ) 如果置和R 相等，则式子( 3 4 1 ) 转换成式子( 3 4 2 ) 采用这种结构有一个严重的缺点，就是它限制了差动输出摆幅。 采用图3 13 的方法也可以实现这个目的。 电子科大硕士学位论文 图3 13 改进式检测电路 图中鸠和地工作在深线性区，在P 点与地之间引入的总电阻为 足。= R o n ，。 2 忑面1”蕊面1以c 甜警( k ) ”心警( 一) 1 ；c o x 堡E ( v o 。+ ，：一2 ) 式中，W L 表示的M 7 和蝇宽长比，式子( 3 4 5 ) 表明，8 。是 ( K 。+ v o 。) 的函数，但是与( K 。一圪。) 无关。从图3 1 3 可以观察 到，如果输出的两个电压同时上升，则如下降；如果差动变化，则一 个如增大，另外一个减小。 电子科大硕士学位论文 同样，鸠和蝇的使用限制了输出电压的摆幅，图中两个晶体管都 是工作在深线性区，则有： V o 。= 7 ，8 ( 2 4 6 ) 此数值较接近两个过驱电压。 3 5 比较器 比较器是用来判定输出的共模电平与参考电平的大小的，因为参考 电平是一个固定的值，所以通过它来确定输出共模电平的平均值。一 般采用如下结构图3 1 4 ： V D D j 7 0 3 14 比较器的拓扑结构图 电子科大硕士学位论文 第四章电路的实现和仿真 通过对上面电路的性能指标以及常用结构的介绍，这里我们提出 设计的指标，并选择适当的结构进行设计，给出其在H s p i e e 下的仿真 结果。 4 1 电路的设计目标 4 1 1 设计目标 这里提出我们的设计目标 表4 1所要设计运放的性能指标 电压( s u p p l y ) 3 v 开环增益( D C g a i n ) 8 0 d B 转换速率( s t e wr a t e ) 2 0 0 v u s 功耗( p o w e r d i s s i p a t i o n ) 2 0 m W 4 1 2 采用的结构 通过对性能指标的分析，上面介绍的三种结构的电路( 基本的全 差分电路、折叠式运放、套筒式) 在3 v 条件下都是可以正常工作，但 是增益为8 0 d B ，在数量级上，是( 艺) 的2 次方到3 次方，这就意 味着在信号流经的通路上，至少有两个以上的放大器件在工作，而且 必须注意的是使得器件偏置在较大的电流下工作。 为此，我们主要考虑折叠式和套筒式结构的运算放大电路。相对 于折叠式的结构而言，套筒式结构的运放结构使用的器件较少，输出 的摆幅较同情况下的要小，而且必须在共模反馈条件下工作，但是对 于运放的低功耗要求而言，是一个不错的选择。图4 1 就是其拓扑结 构。 电子科大硕士学位论文 言0 图4 1 所采用的运放的拓扑结构 4 2 具体的设计 4 2 1 偏置电压的确定 采用这种结构，首先要解决的就是四个偏值电压的确定，以确定 其静态的工作点，我们采取如下的值： 表4 2 偏置电压的理论值和实际值 偏置电压理论值实际的值 V b i a s l V D D V t h p 1 9 V V b i a s 2 V D D V t h p V d s ，s a t 1 8 V V b i a s 3 V t h n + 2 V d s ，s a t 2 O V V b i a s 4V t h n1 4 V 电子科大硕士学位论文 4 2 2 晶体管韵设计指导 从功耗以及电源电压的要求出发，可以计算出套筒式结构中每一个 晶体管的具体参数，但是对开环增益而言，不一定能满足，这里 f t 7 做一个特别的分析： 从上一章，我们得到： A v 0 = g r o i n x E ( g a R o H 2 x R 。1 ) I I ( g m 3 R 。n 3 R o n i n ) 曩g NY gl o = i 1 岛i W ( 一鼢) 2 ( 1 十五) 在饱和区有：= 辱 1 。瓦 那么可以推算出：A v O = ( 4 2 3 ) ( 4 2 4 ) 这个公式从总体上指指出了具体某个晶体管对电路的直流增益贡 献最大，也是影响增益的主要原因，因此它也是晶体管参数调整的总 指导依据。 在设计中，由于M 1 、M 2 、M 3 、M 4 这四个晶体管是在信号的通 路上，所以要保证其电容值最小，因此在改变参数以增大直流增益的 过程中，尽量是保持最小尺寸不变而进行宽长比的整体变化。另外， P M O S 晶体管M 5 、M 6 、M 7 、M 8 对信号的影响则小得多，增大尺寸可 以非常有效地改变直流增益的值。 必须注意的是，尽管我们在根据以上指标算出的直流增益值一般 不能满足要求，我们通过增加晶体管的栅长、栅宽或减小其偏置电流 可以来实现。但是，每个晶体管的宽度，必须以其长度为定标，以保 电子科大硕士学位论文 持过驱动电压不变。 4 2 3 仿真图线 下图4 2 是在直流电压偏置情况下的增益频谱曲线： 图4 2 基本的套筒式结构的增益相位曲线 从图上看出，电路的开环增益只有6 4 d B ，并不能满足设计要求， 但是在具体的参数设置以及手算的处理上，是可以实现的。分析得出 的原因是因为电路没有设置共模反馈。由于在高增益放大器中，输出 共模电平对器件的特性和失配相当敏感，这些失配使得共模输入微小 的变化而导致增益的巨大变化。 4 2 4 共模反馈 由于套筒式结构对静态工作点的要求，所以必须采用共模反馈以 确保电路的正常工作，这里我们采用的共模反馈就是前面所介绍的( 什 么方式的) 。具体的拓扑结构如下图4 3 电子科大硕士学位论文 这个结构中要求电阻R 1 、R 2 的阻值非常大，在M 欧姆的数量级， 在工艺中可以通过阱电阻实现。 图4 3设计中采用的共模反馈结构 4 2 5 偏置电路 集成电路的设计中，一般是不采用直流电源作为偏置的，这里的 原因主要有一下几点：首先，会增加不必要的结点；其次会使得电路 的封装更为复杂；再次，直流电源的稳定性很难保证；最后，采用标 准的偏置电路模块，可以增加系统的集成度。 前面我们是直接用计算的直流电源供电以保证电路工作，这里我 们采用如下电路以代替其功能。其具体结构如下图4 4 ，其中的I s s 的 值我们取为O 5 m A ，这样既能保证偏置电路在整个系统中的功耗不是 很大，又确保偏置电路本身的稳定性。 电子科大硕士学位论文 图4 4偏置电路的拓扑结构 4 3 电路的性能仿真 4 3 1 电路的总体结构 图4 5 总体的拓扑结构图 4 3 2 总体的增益频谱曲线 3 0 电子科大硕士学位论文 图4 6 总体的增益相位曲线 从图上我们可以直接读出以下结果 G a i n = 7 8 d B P h a s eM a r g i n = 6 3 4 。 4 3 3 输入输出特性为 图4 7 输入输出特性 输出摆幅为： 1 2 v 4 3 4 噪声的测量 电子科大硕士学位论文 图4 8 输入噪声频谱分析图 从图上我们可以直接看到，输入噪声的为8 z V ，折算到总的噪声为 4 3 5 转化速率的测量 转化速率依赖于负载电容的大小以及电路的静态电流，利用上文 提到的结构，采用1 0 p F 负载，有如下的曲线： 从图上可以算出 国4 9 转换速率模拟曲线 电子科大硕士学位论文 S le wr a t e = 2 0 0 V u S 建立时间为：1 0 0 u S 4 4 结果汇总 以上是具体的电路结构图和仿真结果，对其性能指标列表可得： 表4 3 运放总的仿真结果 性能参数达到指标 开环增益( D CG a i n )7 8 d B 相位6 3 4 。 建立时间 1 0 0 u s 功耗l5 m W 输出摆幅 1 2 矿 转化速率2 0 0 V u s 带宽3 0 0 M H Z 输入共模范围1 4 V 一1 8 V 噪声 2 15 B V 电源电压3 V 4 5 参数的折中处理： 电路的性能参数相互影响相互制约，这里主要对一些比较重要的 参数变化制约做的一个总结，也是在电路参数的调整中的一些指导和 心得体会，如表4 4 所示。 电子科大硕士学位论文 表4 4 部分参数的折中关系表 调整的参数调整的方法缺点 开环增益增大L ，保持W L 不噪声增大 ( D CG a i n )变 增大g m l ，L ，I d 不变 V d ss a t 变化 减小I d ，L 不变转换速率( s l e w ) 变化 动态范围 增大g 。】l d 增大，V “。t 减小 ( D y n a m i cR a n g e )减爿、g 。7摆幅变化减小 减小输出摆幅增益减小，I d 减小 相位减小负载电容( C L )增益减小 ( P h a s eM a r g i n ) 增大g 。3V d 。- s a t 3 减小 皇三型垫查堂堕主兰篁堡塞 第五章版图设计 在完成所设计的电路的性能仿真后，就可以进行版图设计了。版 图设计要求设计者不仅要掌握电路的几何映射图形设计，还要掌握电 路的电气设计。 这里我们从三个主要的方面，即：版图中的M O S 管的匹配、版图 规则的说明和具体的版图设计进行说明。 5 1 M o S 管的匹配 模拟电路的性能的变化和电路中晶体管的匹配有很大的关系。一些 电路，如差分对，依赖于M O S 管栅源电压的匹配，还有常用的电流镜， 则是依赖于漏极电流的匹配。电压匹配和电流匹配这两种匹配是常见 的方式，但是在具体的设计中不可能同时采用，这里我们采用电压匹 配的方式。 下面对电压匹配进行说明。因为偏置于电压的关系是很容易从 M O S 管的工作状态导出。假定两个要求匹配的M O S 管1 M l 和M 2 工 作在相同的漏极电流下，如果两个晶体管为理想的器件，那么它们就 会有相同的栅源电压。实际上，由于不匹配的缘故，使得两个晶体 管之间的栅源电压之差并不为零，而存在一个= ，一：，则当两 个晶体管同时工作在饱和区，在通常状况下有： v 。, _ - - a 巧，( 期 这里巧为要求匹配的两晶体管的阈值电压之差，A K 为两晶体管的 跨导系数之差，。是晶体管M 1 的有效栅压，墨为晶体管M 2 的跨导 系数。由于。为K ，的函数，并且K ，与晶体管的几何尺寸( W ，L ) 有关系，所以与晶体管的几何尺寸有关。又由于为。的函 数，所以也。与M O S 管的偏置电压有关。 在实际的设计中，我们通过减小匹配M O S 管的有效栅电压来降低 偏置电压误差。这样，在有大的宽长比( W L ) 和低的工作电流 时，可以达到很好的电压匹配关系。但是，这种方法受到阈值电压和 电子科技大学硕士学位论文 阈值电压不匹配等条件的限制。 5 1 1 版图几何尺寸的影响 M O S 管的尺寸、形状、以及在版图中的排列方向，都可能会影响 导晶体管的匹配性。一般大尺寸的M O S 管的匹配性较小尺寸的要好， 因为大的橱面积有利于减小输入信号波动对晶体管