（微电子学与固体电子学专业论文）低压微功耗轨至轨输出cmos运放研究设计.pdf

摘要 完成了一个低压微功耗c m o s 轨至轨输出运算放大器的研究设计。采用低 电压供电的模拟电路不但能减少电路的功耗，而且能增强电路的稳定性。国外在 这方面已经有成熟产品。而国内相关方面的研究则很少。 本文主要完成了以下几项工作： 1 对国内外的相关研究动态做了广泛的调研，仔细比较了各种实现电路的 优缺点，研究各种电路的组成结构和工作原理。在吸收己有的相关技术成果基 础上，提出自己的设计方案并验证系统实施的可行性。 2 根据采取c m o s 工艺特点和要求，设计各部件具体的电路形式，如输入 差分对，共源共栅级，低压宽摆幅电流镜，轨至轨输出级，密勒补偿电容等。 特别是对于其中比较复杂的部件，如共源共栅输入级、低压宽摆幅电流镜、热 电压基准源等，研究其电路特点来设计电路模型，使其性能最优。 3 电路的静态电流极其微小，通过提取器件模型参数，适当偏置运放工作 在弱反型区。采用可选择的频率补偿模式，保证更大的灵活性、稳定性。输出 级采用共源结构的互补推挽输出结构，提高了输出电压的动态范围，达到轨至 轨的输出范围。并使用甲乙类的输出结构，提高了电路的功率效率。在版图的 设计上，参考了一些新的，先进性的方法。 4 h s p i e e 软件仿真的结果显示，运放能在2 5 v 正常工作，在工作电压范围 内，电路的静态电流基本维持1 u a 不变，直流增益可以达到1 1 9 d b 。实现了低 压微功耗的设计要求。 关键词：模拟集成电路运算放大器c m o s 低压微功耗弱反型折叠式轨至轨 a b s t r a c t t h e p a p e rd e s i g n s al o w v o l t a g e ，m i c r op o w e r c m o s o p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i t h r a i l - t o r a i lo u t p u t d u r i n gt h el a s ty e a r sm u c he f f o r th a sb e e np u ti n t ot h ed c s ig i lo f t h ea n a l o gc m o sl o wv o l t a g em i c r op o w e ri n t e g r a t ec i r c u i t s ( i c ) t h i si sp r i m a r i l y d u et ot h ei n c r e a s i n gc o n s u m p t i o no fb a t t e rp o w e r e de l e c t r o n i c ss u c ha sp o r t a b l e p e r s o n a lc o m p u t e r s ，c e l l u l a rt e l e p h o n e s ，b i o m e d i c a li m p l a n t s a n ds oo n t h e l o w v o l t a g ea n a l o gc i r c u i t s ，o nt h eo n eh a n d ，c a no b t a i n t h el o w p o w e r o nt h eo t h e r h a n d ，t h e y c a ni n c r e a s et h es t a b i l i t yo f t h ec i r c u i t s o n eo f t h em o s ti m p o r t a n t a n a l o g b u i l d i n gb l o c k si st h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r p r o d u c t so f t h i sk i n do f o p a m pa r e a v a i l a b l ef r o mm a n yf a m o u si n t e g r a t e dc i r c u i t s c o m p a n i e s ，s u c h a st h en e w e s t m c p 6 0 4 xs e r i e so f m i c r o c h i pt e c h n o l o g y , m a x 4 0 6s e r i e so f m a x i m t h i sp a p e rh a si n v o l v e dt h ef o l l o w i n gs u b j e c t s ： 1 a l lk i n d so fs t r u c t u r eo fl o w v o l t a g eo p a m pw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d b a s e d o nt h ei n v e s t i g a t i o n ，t h ew o r k p r e s e n t sal o wv o l t a g ea n dm i c r op o w e ro p e r a t i o n a l a m p l i f i e r 2 t h ep a p e rs t u d i e st h et h e o r e t i c sa n ds y n t h e s i so fb a s i cc e l l so faf o l d - c a s c o d e o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , s u c h a sd i f f e r e n t i a l p a i r s ，c a s c o d es t a g e s ，l o wv o l t a g e w i d e - s w i n gc u r r e n tm i r r o r s ，r a i l t o r a i lo u t p u ts t a g e s ，m i l l e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r s a n ds oo n s o m eo f m o s f e t s a r eb i a s e di nw e a ki n v e r s i o n 3 a p u s h p u l lo u t p u ts t a g ew a su s e di nt h ec i r c u i tt oe x t e n do u t p u tv o l t a g ef r o mr a i l t or a i la n dac l a s sa b b i a s i n gi su s e d t oi m p r o v et h ep o w e r e f f i c i e n c yo f t h e c i r c u i t ， 4 u n d e rt h es t a r - h s p i c es i m u l a t i o n ，t h ed c g a i ni s 119 d b ，a n dt h ec u r r e n ti sa b o u t 1u ao v e rt h er a n g eo ft h es u p p l y k e yw o r d ：o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , c m o s ，l o w v o l t a g e ，m i c r o p o w e r , w e a ki n v e r s i o n ， f o l d e d c a s c o d e ，r a i l t o r a i l i i 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两使用过的 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：斟日期：2 。5 年月z ，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) 1 月27 日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 运算放大器o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( 简称运放) 是模拟电路中一种最 重要和最通用的集成块，同时也是许多模拟系统和数模混合信号系统 中的一个完整模块。 上个世纪6 0 年代中期，第一块运放1 ta 7 0 9 诞生。从此，运算放 大器被广泛的运用到几乎各种电子系统之中，成为各种模拟信号处理 和测试设备中的基本元件，应用于包括各种放大、函数发生、有源滤 波以及a d 、d a 转换器等电路中。最初的多数运放被设计成通用的 模块，以适应各种不同场合应用要求。那时，企图设计的是同时具有 极高增益，很大输入阻抗，极低输出阻抗，很强的驱动能力，高速的 “理想”运放。 今天的运放设计从开始就根据集成电路的总体性能来确定运放的 基本参数，认识到各个参数之间的折衷，例如功耗和速度的折衷等等。 因此，今天的运放多是专用的运放，不强调运放的通用性，形成了如 高速型的，高精度的，低压低功耗的专用型等。随着c m o s 工艺的不 断发展，电源电压和特征尺寸的持续减少，使得运放的设计不断有更 新、更复杂的课题。 本课题设计了一个低压微功耗的轨至轨( r a i l t o r a i l ) 输出c m o s 运算放大器单芯片，主要应用于要求功耗低，电源电压低的场合。比 如生物传感器信号放大、便携式电气产品、听力助听器等领域。下面 我们对本课题做一个简单的概述，然后是对运放设计的安排。 1 1 课题的目的及其意义 在生物科学、空间技术、电池供电设备的研究中，在各种高阻抗 传感器的应用中，经常需要集成电路在低电压和弱电流的条件下工作。 采用低电压供电的模拟电路不但能减少电路的功耗，而且能增强电路 的稳定性。因此，研制和生产低功耗乃至微功耗的集成电路一直是电 子工业的重要课题之一。 低压、微功耗不仅是这些电池驱动的便携设备的需求，也是来源于 电子科技大学硕士学位论文 m o s 电路持续的d o w n s c a l i n g 而带来的一系列问题的驱动。器件尺寸 的下降给运放的设计提出了更高的要求。运放的设计已经成为模拟i c 设计中的制约因素，尤其是特征尺寸进入亚微米之后，设计方法有很 大的区别，而我国在此方面的关注和实力与国际水平存在着差距。 同时，随着c m o s 工艺的发展，当前单片系统集成s o c 已经不再 困难。单片s o c 中的模拟电路不同于数字电路：一方面，为了达到一定 的性能指标，不能应用最小尺寸的器件进行设计；另一方面，电源电压的 降低使传统模拟电路单元的性能大大降低。为了适应低电压、低功耗 的发展趋势，低电压、高功效、高性能的模拟电路单元的设计在这几年 成为人们关注的问题。电源电压的降低对运算放大器的最大影响就是 输入和输出信号的动态幅度大大减小。 国际上对低压、低功耗运放的研究正日新月异。 1 美国微芯公司m i c r o c h i p t e c h n o l o g y 最新推出的m c p 6 0 4 x 系列 运算放大器，具有增益稳定、轨对轨输入输出功能，主要作为电池供电 的低电流、低电压应用的选择。m c p 6 0 4 x 运算放大器提供轨对轨输入 和输出，工作电压范围从5 5 伏低至1 4 伏。新器件有1 4 k h z 的增益稳 定的增益带宽积( g b w ) ，1 微安的最大静态电流。新器件的工作温度从 零下4 0 摄氏度到8 5 摄氏度，典型静态电流为6 0 0 纳安，从而延长电池寿 命。 2 美国m a x i m 公司在运放的开发，研制方面就有很多尖端的技 术。它的某些高性能运放如m a x 4 0 6 ，m a x 4 0 7 系列已经达到了低压微 功耗的水平。在整个的工作电压范围内，m a x 4 0 6 的典型工作电流为 1 u a ，几乎不变。其耗电极省，但是性能仍然表现惊人。 在国内，近年来如复旦大学，东南大学，西北大学等都在进行这 方面的研究。尤其从微功耗的角度，国内在c m o s 运放的研发方面才 刚刚涉足，我们在这个课题上有广阔的前景。 低压、低功耗运放是模拟集成电路的基本单元，广泛应用于各种 m o s 集成电路中，作为市场应用前景广阔，而且它的理论依据也具有 广泛的代表性；同时由于其微功耗的特性，使在国防空间领域也有迫 切的意义。开展它的研究，在理论上为今后设计研究高性能低压、微 电子科技火学硕士学位论文 功耗放大器积累技术资料，提供理论借鉴，工艺上为利用c m o s 工艺 进行c m o s 运放的生产提供试验依据。 本课题研究工作重在理论的研究和实践，低压、微功耗c m o sr a i l t or a i l 运放理论是片上系统s o c 、空间和生物高阻传感器等的基础。 本课题探讨了在亚微米工艺下设计具有较低功耗( 电源电流1 5 u a ) 、 满足r a i lt or a i l 全摆幅的运算放大器结构和方法。 1 2 本设计的要求和安排 课题要求采用t s m c 的0 2 5 u mc m o s 工艺库h s p i c e 器件模型， 在亚微米的工艺情况下设计低压、微功耗、轨至轨输出的c m o s 运放， 研究微功耗运放的设计方法。需要保证运放在电源电压变化很大的范 围之内，能基本维持极低的静态电流不变。运放能够在接成闭环单位 增益时稳定的运行，不至于出现不稳定的情况。 下面列出实现的主要最终目标： 参数符号条件最小典型最大单位 电源电压 k 2 55 0l0 ov 电源电流 i 口 1 o1 2a 输出摆幅 2 4 724 9v 共模输入范围 c m r kh 一11 v 输出电流 i 。t圪。= 0 1 0 03 0 0ua 大信号电压增益 缸v o f = 2 v 7 0 l0 0d b 补偿模式 4 8 增益带宽g b wk h z 非补偿模式 2 04 0 补偿模式35 压摆率s r v m s 1 r 补偿模式1 22 0 电子科技大学硕士学位论文 本次设计工作分为以下步骤： 1 电路电学参数制定，根据电源电流、电压，输出动态幅度等要 求进行系统级的设计，确定c m o s 运放的电路结构；2 电路结构 逻辑分析设计，由电路结构图以及功能要求进行电路的设计； 3 电路的计算机仿真验证，在h s p i c e 环境下对设计的电路进行仿真验证： 4 芯片的版图设计，根据电路及现有工艺条件，模拟验证并绘制总图： 5 工艺设计，根据电路的性能要求选择合适的工艺。 电子科技大学硕士学位论文 第二章低压微功耗c m o s 运放概述 本章将讨论低压微功耗运放设计的基本原则。首先简要论述了运 放设计中要使用的m o s 管的模型和参数；然后对低压微功耗课题所涉 及的电源电压低，耗散功率小的特殊性进行了分析讨论；最后部分讨 论了亚微米级设计相对于微米级设计方法的不同、挑战和新的现象。 2 1 m o s 器件原理及模型 在现代的模拟i c 设计中，必须充分地掌握半导体器件的知识。在 数字i c 设计中，设计工程师着重考虑的是电路的速度和功耗，使用晶 体管的一级模型就可以较为精确的仿真数字电路的性能。丽在模拟电 路的设计中，晶体管的许多二级效应直接影响电路的性能，设计工程 师要考虑更多的因素，如增益，噪声，电压摆幅，线性度等。因此， 深入了解器件的工作情况对模拟设计而言是非常有价值的。 2 1 1 m o s f e t 的结构和大信号特性 结合所用的t s m c 的模型参数，下面扼要介绍m o s 场效应管的特 士 图2 1 在小和强反型时 n m o s 管的剖面图 图2 2n k l o s 管的i v 特性 性以及其主要参数。图2 1 和图2 2 分别是n 沟增强型m o s 管的剖 面图和输出特性趋线。低压运放设计中主要的电学特性就是栅源电压 ，该电压确定了电路能正常运行的最小电源电压。其次是传导 电子科技大学硕十学位论文 = 善妄。传导的大小确定了器件的栅源电压a 1 强反型区s i ( s t r o n g i n v e r s i o n ) 当时，器件表面形成反型层。根据漏源电压的不同，器件可 7 - 作在线性区( 也称可调电阻区) 和饱和区。 ( 1 ) 线性区( 可调电阻区) i v 特性 = 以c 。w 儿r 、 k 缶一v t ) v o 。一嘧 ( 1 + 五) 当 ，o ， ( 2 - 2 ) 忽略沟道长度调制效应的跨导 2 恚确钆( 2 - - 3 ) 其中， 鳓= n m o s 管的沟道表面迁移率( 跏2 v s ) c 0 = 兰建= 栅氧化区单位面积电容( f ，2 ) 叫 w = 有效沟道宽度 三= 有效沟道长度 五= 沟道长度调制系数( v 。) 品= 函d 2 的介电常数( f c m ) t 。= 栅氧化层厚度 电子科技大学硕士学位论文 = - = 过驱动电压 在电路设计中，都是将器件偏置在饱和区，可以提供更大的跨导， 更高的输出电阻，从而提高电路的增益。线性区的应用主要是在可控 电阻和开关方面。在运放的设计中应尽量避免器件工作在线性区。式 ( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 中的( 1 + 五巧。) 项反应了沟道长度调制效应，在手工设 计中因 较小，可以忽略。 2 弱反型区w i ( w e a ki r i v e r s i o n 也称亚阈区) 弱反型区( w i ) 指栅源电压低于阂值电压的工作区域。当 3 时，漏电流，d 几乎就是恒定的，m o s 管处于饱和区。可以将 上式进一步简化为 ，d ：_ w p 焉 ( 2 4 ) 为了设计使用，现在从所使用的工艺模型库中提取参数和n 。 变换式( 2 - 4 ) ，两边取自然对数，再化简后得到 电子科技大学硕士学位论文 a ( 1 1 1 厶) 一1 a h k ( 2 - 5 ) 即从i n ( 易) 一曲线的斜率就可以得到器件的斜率因子n 。 使用h s p i c e 画出n m o s 管的l n ( 厶) - 曲线。如图2 - 3 所示。 星 一2 0 o5 0 0 m1 v 0 1 t a 宴ex( 1i n ) ( v o l t s ) 图2 3 i n ( 厶) 一曲线 从该图可以求出 约为1 4 3 ，1 0 。约为2 1 8 。这样，就得出我们设 计时使用的公式 ，d ：( 2 1 8 ) 等e 靠5 ) 同理，p m o s 有 乃：( 1 5 6 f a ) 等- 。燕 ( z 一。) 3 中反型区m i ( m o d e r a t ei n v e r s i o n ) 在强反型区和弱反型区之间并不是很突然的转变，还存在一个中 反型区。当0 一2 n v 7 时器件工作在中反型区。中反型区目前没 有很简单的模型，一般都是通过计算机的分析综合。较为详细的分析 请参看相关文献。 2 1 2 m o s f e t 的小信号模型 电子科技大学硕士学位论文 在利用大信号模型得到直流静态工作点后，可以利用小信号模型 6 了。辱 ”9 m v 9 3 妄。 咭。 图2 4m o s 小信号模型 简化计算工作。小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似，可以 通过在直流偏置点栅产生晓得增量，计算它引起的其他偏置参数的增 量来得到小信号模型。小信号模型的各项参数都依赖于大信号模型参 数和直流变量。 在很多教材和参考文献均有m o s 器件的小信号模型分析介绍， 图2 4 列出手工设计时的简化等效电路模型。 图中各参数定义如下： c 。和= p n 节势垒电容； c g 。、c & 、c 岛= 栅极电容； 岛= 蓑5 以警( 一) 2 饱和区跨导；令= 鸬乞等，g 埘可 以表示为 g m = ( 一) = 2 , v 7 ； ( 2 7 ) 输出电阻名 f 赤；( 2 - 8 ) 在简化的手工分析中，可以近似的使用关系式 j 。2g 、y t 2 - 9 、 2 2 低压微功耗c m o s 运放设计的介绍 9 电子科技大学硕士学位论文 随着半导体制造技术的发展集成电路器件的特征尺寸在不断的减 少，从早期的1 0 - - 2 0 z m ( 1 9 6 5 年) 减少到今天的深亚微米大小。按 照等比例缩小原理，三维晶体管的栅氧化层厚度需要随着沟道长度和 宽度按等比例缩小。当沟道长度缩小到深亚微米( d e e p s u b m i c r o n ) 时， 栅氧等比缩小到仅仅只有几个纳米厚度。原来流行的5 v 电源被减小到 约3 v 的水平，这样才能保证器件的可靠工作。因为电源电压的降低， 许多原来适用于5 v 或者更高电压的电路模块将会丧失很多功能，电路 的许多特性会恶化。这样，我们必须设计新的能在低电源电压下正常 工作的电路。近年来另外一个热门的话题就是低功率电路的设计，来 源于强劲的环保风，电路的设计中也流行起了环保之风。移动电话、 笔记本电脑等迫切要求发展省电电路，也就是低功率电路。发展低功 率电路可以大大提高产品的竞争能力，减少散热，并且能让整个系统 集中在同一晶片之中。下面将介绍一些低压低功率电路设计的研究过 程与结论。 2 2 1 运放的总体框图 c m o s 运放的方框图如图2 4 所示。差分跨导级采用p 型差分 对，高增益级是共源共栅的折叠式( f o l d e d c a s c o d e ) 放大电路。输出 部分采用轨至轨的c l a s s a b 类输出级。补偿电路是利用密勒效应，在 输出级的输入与输出之间接入补偿电容和串联电阻，以实现运放的频 图2 4 运放的框图 率补偿。偏置部分采用以热电压( k t q ) 为基准的偏置电路，能保证 在宽范围电源电压应用时，整个电路的静态电流不变。 2 2 2 低压微功耗运放设计的考虑 电子科技大学硕士学位论文 有各种低压电路的定义，不同的行业也有不同的标准。针对c m o s 集成电路设计来浣，随着工艺线的不同，特征尺寸的减少，人们对低 压的绝对数值也在发生变化。比如原来认为的5 v 到目前的3 v ，甚至 更低。在c m o s 设计中，把最重要的参数栅源电压和饱和电压与电源 电压结合起来是比较可行的方法。 术语“低压”用来描述最小运行电压为两倍栅源电压和漏源饱和 电压之和的电路。 l 。2 2 ( + ，) ( 2 - 9 ) 另外描述“超低压”就是指最小运行电压为一倍栅源电压和漏源 饱和电压之和的电路。 。2 + p o ( 2 - 9 ) 很明显，栅源电压和漏源电压以及由此得到的最小电源电压取决 于指定的设计参数，工艺参数，比如m o s 器件的闽值电压，偏置电位 等。偏置m o s 器件于弱反型区( w i ) 可以得到最小电源电压，同时 也获得了电路的低功耗。因为处于弱反型的器件只需要更小的栅源电 压和饱和电压，工作电流会更小。弱反型器件由于极低的传导值，它 的高频特性比不上强反型器件。提高宽长比会增加器件的尺寸，从而 会增加器件的寄生电容，高频特性也不会提高。所以低压微功耗电路 一般应用在低频领域。 电源电压的降低极大的影响着模拟电路的信噪比 ( s i g n a l t o n o i s e ，s n r ) 。这是因为信号电压减小，而且偏置电流也 变低，都引起信噪比的降低。为了提高s n r ，可以最大化信号电压， 最好是轨至轨( r a i l - t o r a i l ，r r ) 的信号。因此就对输出电压范围和 输入共模电压提出了更高的要求。本课题针对低压微功耗的要求，实 现了能轨至轨输出，输入共模电压电达到了e 一1 1 v 的要求，极 大的提高了电路的s n r 。 低压电路也对电路结构的设计提出了更多的要求。为了能在更低 电压下稳定的运行，运放的电路结构应该加以重新设计，以适应低电 压的要求。 2 3 亚微米c m o s 电路的设计 电子科技大学硕士学位论文 称最小沟道长度k 。小于1 a m 的工艺为亚微米工艺。亚微米c m o s 电路设计有很多不同于微米级的电路设计之处。在微米级电路设计中， 手算设计使用器件l e v e ll 的平方律关系模型，利用这个模型设计出来 的电路实际仿真结果能较好地匹配手算结果，从而能迅速地给设计人 员提供一个设计概念的反馈。l e v e l1 模型很好地适用在k 。 5 a m 的 器件中。当工艺参数在5 z m l 。 1 a m 时，与实际仿真结果比较，用 l e v e l l 进行的手算结果的精度能保持在2 0 的范围内。而当进入亚微 米工艺之后，仍旧使用l e v e l1 平方律进行设计的电路，它的误差一般 会高达1 0 0 。 下面我们结合我们使用的t s m c ，2 5 a m 工艺库提供的模型来观察 亚微米m o s 器件的特性。图( 2 - 5 ) 模拟了个l = 0 5 a m ，w = 2 “m 的m o s 器件的输出特性。左图是实际的结果，右图是利用l e v e ll 的 仿真结果。 通过比较图( 2 5 ) 来得出l e v e ll 手算的缺陷。第一，从右图l e v e l1 童 j 图2 - 5 亚微米m o s 的1 v 特性，仿真结果见左图；i e v e l1 模型结果见右图 结果看出，漏电流和栅源电压的平方关系；而在左图发现，实际仿真 的漏电流基本上是和栅源电压成线性关系。其次，在饱和区曲线的斜率 有很大差别，l e v e l1 的斜率更大些。器件的输出电阻与该斜率值成反 比，意味着l e v e l1 会预计出较小的输出电阻。第三，实际器件保持在 饱和区的过驱动电压要远远小于手算的结果，也就是说，在手算的时 候会过高估计。 或许，我们认为简单地使m o s 管的沟道长度l 变长，就可以避免 电子科技大学硕士学位论文 上述缺点。比如，l = 2 t m ，是否能使器件遵守平方关系? 实际上，对 于同样的沟道长度的器件，在0 2 5 , u m 工艺下面的特性和2a m 工艺下 面的特性仍然有很大的不同。在亚微米工艺下，提高沟道长度不会极 大地影响到器件的特性。因此，在本设计中，我们除了考虑部分器件 工作在亚闽区外，另外在设计的时候，参照了种适合亚微米工艺设 计的方法，希望能达到较为实际的设计结果。 电子科技大学硕士学位论文 第三章c m o s 运放的设计 本章中，详细地讨论低压微功耗c m o s 运放的设计。m o s 器件的 模型使用t s m c 的o 2 5 m 混合信号工艺库。首先，研究进行轨至轨输 出运放的电路分析和设计。其次是一个基准恒流源的分析和设计。最 后讨论了低压运放电路的噪声。 3 1 运算放大器电路的设计 正如图2 - 4 所示，c m o s 运算放大器主要由差分跨导级，高增益 级，轨至轨输出级，密勒补偿电路和偏置电路构成。差分跨导级和高 增益级可以视为第一级电路，输出级视为第二级电路。一般的m o s 运 放都做成二级放大结构。每部分电路有其具体的电路拓扑。根据本课 题的关注点是低压和微功耗的考虑，下面具体就各部分电路进行分析 与设计。 3 1 1 运算放大器电路结构的选择 综合考虑设计的要求，如： ( 1 ) 工作电压低，为了提高信噪比，要求输出摆幅能达到轨至轨 的范围；在某些更高的要求里，可能会要求输入的共模电平也实现轨 至轨的范围。我们这里提出输入共模电平最低能达到负电压值，最高 应尽可能大。 ( 2 ) 为了达到高增益，需要采用共源共栅运放结构。这样限制了 输出摆幅。为此，选用两级运放：第一级提供高增益，而第二级提供 轨至轨的输出摆幅。这样的两级结构可以兼顾增益和输出摆幅的要求。 一般很少使用多余两级的运放结构，因为那样很难保证系统稳定。 ( 3 ) 为了使运放能以输入和输出短路的方式实现单位增益缓冲 器，第一级的电路选用折叠式共源共栅运放( f o l dc a s c a d eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e r ) 。折叠式结构也实现了( 1 ) 中对输入共模电平的要求。 4 电子科技人学硕h 学位论文 ( 4 ) 两级结构需要采用频率补偿技术来保证系统的稳定，补偿电 路是必不可少的。 最后得到的运放总体结构就是两级折叠式共源共栅轨至轨输出运 算放大器。 3 1 2 运算放大器差分输入级的设计 集成运算放大器的输入级均采用差分放大器的电路结构。差分放 大器只对差分信号进行放大，而对共模信号进行抑制，具有很强的抗 干扰能力，并具有漂移小、级与级之间很容易直接耦合等优点。为了 提高运放的增益，多采用差动共源共栅电路，此外共源共栅电路的密 勒电容效应比较小，有助于运放的频率特性的改善。一般而言，有“套 筒式”共源共栅运放和折叠式共源共栅运放。正如前面讨论一样，本 课题考虑采用折叠式共源共栅的输入级。 1 折叠式共源共栅( f o l d e d c a s c o d e ) 差动级 图3 - 1 折叠式共源共栅运放的实现 图3 1 是折叠是共源共栅运放的电路结构。图中，输入对采用 p m o s 对管，由m 1 1 管提供输入管的偏置电流，；m 3 ，m 4 供给共源共 栅管偏置电流。m 5 ，m 6 形成输入共源共栅管。p m o s 的负载也采用 电子科技大学硕士学位论文 共源共栅的结构，这样可以进一步提高输出电阻，进而提高运放的增 益。运放被设计成单端输出，减少了全差分输出需要的共模反馈电路， m 7 ，m 9 形成的共源共栅电流镜把差动电流转换成单端输出的电压， 它们的特殊电路结构能进一步提高输出摆幅，在后面分析宽摆幅电流 镜的时候对此类结构进行了详细的分析。电阻r 1 ，r 2 用以简单地调 整运放的失调电压，如果要求更好的失调电压，可以通过外接三端可 调电位器进一步平衡r l ，r 2 的相对值。所以，在运放应用时，可以 外接电阻器进行更精确的失调电压调整。 先分析电路的最大电压输出摆幅。适当选取偏置电压，而且m 7 ， m 9 采用的高摆幅c a s c o d e 电流镜低压结构，m 8 ，m 1 0 只需要2 k 、( 过 驱动电压) 就可以保持在工作区，那么运放的最大输出摆幅是 w f 。2p - 2 l k 。l( 3 1 ) 为了得到最小的输出电压，如果偏置合适，m 4 ，m 6 也是需要2 圪， 即运放的最小输出摆幅是 1 2 k ( 3 - 2 ) 因此，折叠式共源共栅运放的输出摆幅范围是 2 l 圪，i z o ， 一2 i k ，i( 3 - 3 ) 在这个范围内，f o l d e d c a s c o d e 运放能提供几乎恒定的电压增益。 相对于套筒式( t e l e s c o p i c c a s c o d e ) 运放而言，折叠式有更大的输出摆 幅。 折叠式运放的低频小信号电压增益为 4 2g 卅( 3 - 4 ) 式中，是传导，名是运放的输出电阻。 运放的传导g 。由于m 7 ，m 9 的镜像作用，得到 2 i2 2 ( 3 - 5 ) 计算电路输出电阻时，利用图3 2 的外加输入电压源的方法。经 过仔细的分析推导，可以得出 1 6 皇量型垫茎兰堡主兰焦望兰 一 其中 图3 - 2 左边，计算折叠式运放输出电阻的电路；右边，简化后的电路 r o = ( r 。k 6 ) ( r o 。1 m 8 ) r 。k 6 = 2 4 + 6 【1 + ( g 卅6 + g r a b 6 ) ( 2 r 0 4 ) 】 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 兄。，k 8 = 乞j o + b 1 + ( g 。m + 邑m 6 ) ( 1 0 ) ( 3 - 8 ) 最后略去部分弱项，得到 r o = p 0 6 9 。6 ( 名2 4 ) i ( rs 吕“r o 。) ( 3 - 9 ) 电压放大倍数为 a 。= g i i 【，。6 9 。6 ( 2n r 0 4 ) 1 ( r o g 。6 r 0 1 0 ) ( 3 10 ) 至此，可以看出，折叠式共源共栅运放与下面介绍的套筒式结构 比较，有更大的输出电压摆幅。这个优点是以较大的功耗、较低的电 压增益、较低的极点频率和较高的噪声为代价得到的。但是，因为输 入、输出可以短接( 单位增益结构) ，输入共模电平容易选择，输出摆 幅更大，在本设计中，仍然采用了折叠式结构，这种结构在实践中也 比套筒式获得了更加广泛的应用。 电= 二科技大学硕士学位论文 2 套筒式共源共栅( t e l e s c o p i c c a s c o d e ) 结构 相对于折叠式共源共栅结构的输入级而言，图3 3 的结构称为套 筒式共源共栅单端输出结构。图( a ) 的电路在输出摆幅浪费了一个阈 值电压。图( b ) 的电路适宜应用在低压回路，可以提高输出摆幅。因 为本设计不采用套筒式的结构，在此仅对套筒式结构做简单的阐述。 套筒式结构的优点在于比折叠式共源共栅结构具有更高的增益。 主要是因为在类似的器件尺寸和偏置电流下，p m o s 折叠管的跨导比 n m o s 管要低。而且由于输出电阻的降低，更减小了折叠式结构的增 益。套简式结构的功耗、噪声也低。套筒式运放的缺点在于较小的输 ( a )( b ) 图3 - 3 单端输出的套筒式运放 出摆幅和很难使输入与输出短路，而这两点都是本设计所要着重要求 的。所以，本设计中采用的是折叠式运放结构。 3 低压宽摆幅共源共栅电流镜电路 为了提高输出电阻，进而提高电压增益，流行的技术是使用共源 共栅( c a s c o d e ，c a s c a d e dt r i o d e s ) 结构的电流镜负载。一般地，m o s 管 c a s c o d e 电流镜的结构如图3 - 4 所示。由于m 2 ，m 4 管的加入，这种电 流镜的小信号输出电阻是 电子科技大学硕士学位论文 兄= t 0 2 1 + ( 毋，2 + 9 0 6 2 ) 名l 】+ l 一般地，粗略计算可以大约为 咒4g m 2 r 0 2 r o l vt ( 3 10 ) ( 3 一1 1 ) 图3 4c a s c o de 电流镜( a ) 电路图( b ) l v 特性 可见，相对于一般的电流镜负载，c a s c o d e 结构的输出电阻提高了 约，：倍。对于器件而言，如果g , , , 2 r o ：在5 0 的话，输出电阻可以提高 5 0 倍，可见c a s c o d e 结构的优点。但是图3 - 4 电路的缺点在于输出摆 幅的降低。由l - v 特性看出，电路的最低工作电压是+ 2 圪，如果电 压再降低，m 2 管将进入线性区，恒流源的输出电阻会降低，这样电路 的增益就会下降。即 屹w f m 。) = 巧+ 2 k ， ( 3 一1 2 ) 实际上，可以经过特殊的电路使输出摆幅增大，这就是下面介绍 的宽摆幅共源共栅电流镜。 在低压应用中，为了提高输出摆幅，电流镜负载一般使用低压 宽摆幅共源共栅结构。如图3 5 所示。宽摆幅的意思就是指电流沉的 最小工作电压是两倍的过驱动电压( 屹，) ，也叫饱和电压( ) 。 很明显，因为，= 巧。+ k ， 由m 5 的i v 特性得到 铲+ 跞 ( 3 一l3 ) 电子科技大学硕士学位论文 2 v o v + 因为 o v c c 弓 图3 - 5 宽摆幅共源共栅电流镜 肇，= 百1 i w ) ， 把( 3 1 1 ) 代入( 3 1 0 ) ，化简之 p 赢2 巧w + 2 k ， w lv o w l ( 3 一1 4 ) ( 3 15 ) 这样就得到m 2 的栅极电位为+ 2 k m 2 管保持饱和的条件就是 2 2 一( 3 一1 6 ) 即有 y 矗2 巧+ 2 v o ，一屹，一 这样得到，电流镜总的输出电压为 ( 3 1 7 ) ( 3 18 ) 可见，该电路结构可以比普通的共源共栅结构能获得更大的输出 摆幅。 实际的模拟结果参见图3 - 6 。从仿真结果可以看出，高摆幅的电流 m + 肛 山 电子科技大学硕士学位论文 镜具有更宽的动态范围，适合在低电压系统下工作。 二二：一 l l f 图3 - 6 宽摆幅共源共栅电流镜的仿真 3 1 3 运算放大器r a ii t o r a ii 输出级的设计 输出级应该具有向负载输出大的信号功率的能力。两级运放的第 二级是轨至轨的c l a s s a b 类输出级。采用轨至轨输出级结构，正如前 述，是为了提高运放的输出摆幅，获得更好的信噪比。为了驱动低阻 抗的负载，输出级都有较大的电流。好的输出级电路，应该具有强的 驱动能力、低的输出阻抗、大的输出幅度、小的信号失真、高效率和 较好的频率特性。 】，常见的推挽输出级结构 一般在输出级可以采用共源或者共漏的配置。如图3 7 所示，图( a ) 是类似与双极型电路的跟随器配置，这种结构的输出电阻比较大，输 出电压摆幅也不大，最大只能达到正负电源电压减去m o s 器件的阈值 电压。所以，在低压电路中，为了达到最大的输出摆幅，都是采用图 ( b ) 中的共源输出级结构。图( b ) 的共源结构的输出摆幅范围可以 利用m 1 ，m 2 工作在线性区的条件来获得。因为，在线性区时，有 1 l = 卢( 2 屹一瑶)( 3 1 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 在线性区，可以忽略的平方项，于是在负载电阻为也时得到 扛( 卜丽1 ) 仍。 那么在运放闭环到0 分贝时也是稳定的密勒电容使运放的极点频率分 开，也叫“极点分割电容”。 在进行频率补偿的同时也引入了传输函数的零点。这个零点位于 右半平面，由于各极点在左半平面，因此，该零点贡献了更大的相移， 大大地降低了稳定性。图3 1 4 的波特图阐述了零点的影响。 图3 - 1 4 右半平面零极点的影响 对两级运放而言，一般有p l z 0 2 2 c l = 22 p f ，取3 p f 。利用压摆率可以得到m 1 1 管即差分输入电流镜的电流i i 。= 艘c i = 6 0 n a ，取8 0 n a 。 在低压微功耗的设计时，主信号通路可以考虑偏置在弱反型区。 而其他的电流镜负载应该偏置在饱和区，这样才能保证最大的匹配和 输出电阻。m 1 ，m 2 考虑配置偏置在亚闽区，根据弱反型式( 2 - 6 ) o 矗 厶= ( 1 5 6 f a ) 导- p ( ) 咋以及i d = 5 0 n a ，考虑共模输入范围，取v g s 约为 l 0 5 v ，于是得到w l 约为8 。 有时候器件的大小需要反复迭代推算，才能得到最终的结果。在 t s m c 的c m o s 工艺中，n m o s 和p m o s 管的闽值电压分别是o 4 8 v 和0 6 2 v 。利用这些条件，考虑取该级运放能得到2 5 v 的输出摆幅。 于是得到 = 巧+ a 咋+ 1 2 5 + + ( 3 3 2 ) 因此，巧+ = 6 2 5 m v ，考虑到p 管和n 管的特性，分别取 0 = 4 0 0 mv ，= 2 2 5 m v 。关于器件长度的选择，应该兼顾到运放增 益和速度。一般来说，沟道长度越长，输出电阻越大，有望获得更大 的运放增益。不幸的是，太长的沟道长度会导致运放的速度下降，因 此，需要折衷考虑沟道的长度。由= 2 2 5 m v ，得到g 。i o = 8 9 v 。 通过归一化的g 掰。图3 一1 7 得到归一化电流，。= 4 ，7 7 u a 。对于本微功 耗电路而言，暂时分配m 3 ，m 4 均为l5 0 n a 。这样得到的m 3 ，m 4 宽 长比小于1 ，必须放大到1 。具体的过程涉及到反复的手算和仿真，在 此不详述。 至此，整个运放设计完成了，运放总的电路图见图3 1 8 ( 下页) 。 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 18 低压微功耗c m o s 轨至轨运放电路图 3 电子科技大学硕士学位论文 第四章c m o s 运放的仿真 本章使用h s p i c e 仿真器验证运放的性能。模拟集成电路比较复杂， 不能搭建实体的试验板以验证或预测电路的性能。模拟仿真软件就是 为了解决这个问题应运而生的。下面所讨论的运放模拟和测量的参数 包括开环增益、开环频率响应( 包括相位裕度) 、输入失调电压、共模 增益、电源抑制比、共模输入、输出电压范围、开环输出电阻、瞬态 响应等。 4 1 直流特性的仿真 1 开环转移特性及直流增益 利用图4 - 1 的开环结构。粗略地将v i n 从一1 5 v 扫到+ 1 5 v ，找出 图4 - 1 有失调补偿的开环模型 图4 - 2 a 运放的开环转移特性图4 2 b 运放的直流增益 使输出从v s s 变到v d d 所对应的v i n 值。找到转变范围后，v i n 就只 在这个范围内变化。为了更清楚的得到v o s ，图4 2 a 画出的是在一6 m v 电子科技大学硕士学位论文 和+ 6 m v 之间得到的结果。输出电压v o u t = 0 时的输入电压即为输入失 调电压。从图4 2 a 可以很明显的