（微电子学与固体电子学专业论文）电流反馈型运算放大器的设计及其应用.pdf

电流反馈型运算放大器的设计及其应用 摘要 本文概述了电流反馈型运算放大器( c f o a ) 的发展历史，现状和趋势。阐述了 c m o s 集成电流反馈型运算放大器的优势和特点，对c m o s 工艺下的金属场效应 晶体管( m o s f e t ) 的影响因素进行了分析，指出c m o s 工艺下的m o s f e t 相比衬 底p n p 型b j t 的c f o a 更容易集成在c m o s 电路中。详细的分析了c f o a 的结 构、原理以及电流反馈型运放相对于电压反馈型运放的优点，即与增益无关的带 宽和无限大的转换速率，并分析c f o a 的二级效应对整个电路的影响。设计确定 了各子电路从而得到了最终的整体电路。通过大量文献中对c f o a 的分析，得知 电路中的两个缓冲器是整个电路的核心器件。采用一种结构新颖的缓冲器结构， 很好的消除了c f o a 在正向输入端和反向输入端的静态电压差；采用甲乙类的输 入结构和推挽式的输出结构，有利于电路在低压低功耗的环境下工作；使用有源 电流镜结构，降低了偏置电压，并大大的节省了整个芯片所占的面积。与相关文 献相比，在工艺相同的情况下此电路具有更高的精度。 采用0 6 聊工艺模型利用h s p i c e 进行仿真，电路由正负1 5 v 直流电压提供 偏置，c c = 5 p f ；r c = 5 0 k q ；c o 。t = 1 p f 。整个电路功耗为2 2 6 m w ，输入电阻约为 4 5 kq ，相位裕度为5 3 5 度，缓冲器补偿电压误差为3 m v ，带宽为5 m h z ，c m r r 和p s r r + 分别为2 7 d b 和1 1 d b ，开环增益为l o o d b 。 基于本文中的c f o a 设计了一种应用在c m o s 图象传感器中的a d c ，电路 仿真表明相对与类似结构的电压反馈型运放来说电流反馈型运放提高了a d c 的 速度，增加了电路的带宽，也降低了功耗。证明它可以广泛应用于低电压、低功 耗、高速和高频电路中。基于c f o a 设计了乘法器和除法器等基本的运算电路， 并将其应用到积分器、滤波器和振荡器中。 关键词：电流模电路：c f o a ；补偿电路；轨至轨输入 n 硕上学位论文 a bs t r a c t t h ed e v e l o p i n g h i s t o r y ，p r e s e n t s i t u a t i o na n dt r e n d s o fc u r r e n t f e e d b a c k o p e r a t i o n a la m p l i n e r ( c f o a ) w a ss u m m a r i z e di n t h i sp a p e r t h ed o m i n a n c ea n d p r o p e r t i e so ft h ec m o si n t e g r a t e dc f o a w e r ea l s od e s c r i b e d t h ei n n u e n c i n gf a c t o r o fs u b t h r e s h o l dm o s f e tb a s e do nc m o sp r o c e s sw e r ea n a l y z e d ，a n dp o i n t e do u t t h a tt h em o s f e tb a s e do nc m o sp r o c e s sw a se a s i e rt ob ei n t e g r a t e di nc m o s c i r c u i tt h a nb j tt r a n s i s t o r s d e t a i l e d l yn a r r a t et h es t r u c t u r e ，t h e o r yo fc f o a ，a n di t s a b s t r a c tv i r t u ea g a i n s tv 6 l t a g e f e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i 丘e r ( v f o a ) ，n a m e l yt h e f r e q u e n t - i n d e p e n d e n tb a n d g a pa n di n f i n i t e s l e wr a t e a n a l y z e dt h es e c o n d o r d e r e f f e c t s d e s i g nc m o ss u b - c i r c u i t sa n dt h u st h ew h o l es t r u c t u r e t h r o u 曲a n a l y s i so f l o t so fl i t e r a t u r er e l a t e dt oc f o a ，t h et w ob u f f e r sa r et h ek e yc e l li nt h ec f o a s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s e dab r a n d - n e wb u f f b rt h a te l i m i n a t e st h e v o l t a g eg a p b e t w e e np o s i t i v ea n dn e g a t i v ei n p u to ft h ea n l p l i f i e ri ns t a t i cc o n d i t i o n ；b e s i d e s ，w e a d o p t e dr a i l - t o - r a i li n p u ta n dp u s h - p u l lo u t p u ts t r u c t u r e ，b o t ho ft h e mw e r ep e r f e c t c h o i c eo fl o wp o w e ra n dl o wv 0 1 t a g ee n v i r o m e n t ；t h ea c t i v ec u r r e n tm i r r o rw h i c h d e c r e a s et h eo p e r a t i n gv o l t a g ea n da r e ao ft h ew h o l ec i r c u i tw a sa l s ou s e di nt h e s t r u c t u r e c o m p a r e d w i t hc f o at h a tp r o p o s e di n p r e v i o u sl i t e r a t u r e ，t h i s c i r c u i t p o s s e s sh i g h e rs n ra n dp r e c i s i o n ，l o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n w es i m u l a t e dt h ec f o ac i r c u i tw i t hs i m u l a t i o nt o o lo fh s p i c e ， a p p l y e d 0 6 聊c m o sp r o c e s sp a r a m e t e r s ( 1 0 wv t h ) ：i t sn e g a t i v ea n dp o s i t i v es u p p l yw e r e - 1 5 va n d+ 1 5 v r e s p e c t i v e l y ，c c = 5 p f r c 2 5 0 k o h m ； c o u t = 1 p f i t s p o w e r c o n s u m p t i o nw a s2 2 6 2 m w ；a n di t si n p u tr e s i s t o rw a s4 5 ko h m ，p h a s ed e g r e ew a s 5 3 5 。，t h ed i s p a r i t yb e t w e e nt h et w oi n p u t sw a s3m v ，t h eb a n d g a pw a s5 m h z ， o p e n l o o pg a i n w a s10 0 d b ， a n di t sc m r ra n dp s r r + a r e2 7 d ba n d11d b r e s p e c t i v e l y w ed e s i g n e da na n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( f o rc m o si m a g es e n s o r ) b a s e do n c f o a ，o b s e r v e df r o ms i m u l a t i o nt h ea d cb a s e do nc f o ap o s s e s s e dah i g h e r s p e e d ，b r o a d e rb a n d g a pa g a i n s ti t sc o u n t e r p a r t sb a s e do nv f o a i ta l s os h o w e dt h a t t h i sc i r c u i t a d o p t e d t ol o w v o l t a g e ， l o wp o w e r ， h i g hs p e e d ，h i g hf r e q u e n c y c i r c u i t s b a s e do nc f o a ，w ep r o p o s e do p e r a t i o n a lc i r c u i t s ，s u c ha sm u l t i p l i e ra n d d i v i d o r ；i n t e g r a t o r ；n l t e r ；o s c i l l a t o r k e yw o r d s ： c u r r e n tm o d ec i r c u i t ；c f o a ；c o m p e n s a t i o nc i r c u i t ；r a i l - t o r a i li n p u t l i i 电流反馈型运算放大器的设计及其应用 插图索引 图1 1 第一代电流传输器示意图3 图1 2 第二代电流传输器示意图4 图2 1m o s 的小信号模型一9 图2 2c f o a 拓扑结构图一1 l 图2 3 c f o a 的代表符号13 图2 4 c f o a 的逻辑结构图一1 4 图2 5 z ( i w ) 的简化模型1 6 图2 6 交点频率形1 7 图2 7 r o 对c f o a 的影响测试1 8 图2 8 c f o a 典型原理电路图2 1 图2 9 c f o a 的模型电路：2 2 图2 1 0 同相输入闭环电压放大器2 4 图2 1 l 同相输入频响分析电路一2 4 图2 1 2 反相输入闭环电压放大器2 6 图2 1 3 反相输入频响分析电路2 7 图3 1 电压模式的低压低功耗运算放大器3 1 图3 2c f o a 原理图3 2 图3 3 缓冲器结构图3 3 图3 4 基本电流镜3 4 图3 5 共源共栅电流源3 5 图3 6 给出偏置的共源共栅电流镜3 5 图3 7 ( a ) 未给出v b 低压工作时的共源共栅电流镜3 6 图3 7 ( b ) 低压工作时的共源共栅电流镜3 6 图3 8 ( a ) 第一种栅压v b 的产生3 6 图3 8 ( b ) 第二种栅压v b 的产生3 6 图3 9 有源电流镜3 7 图3 1o 输出结构3 8 图3 。1 l 输入结构一3 8 图3 1 2 简单基准电流源结构3 9 图3 1 3 m o sw i d l a r 电流源4 0 图3 1 4 m o sp e a k i n g 电流源一4 1 图3 1 5 阈值电压相关电流源4 2 图3 1 6 高精度基准电流源结构图4 2 v i 硕士学位论文 图3 1 7 c f o a 的整体结构图4 3 图3 18 c f o a 的小信号模型4 4 图3 1 9 缓冲器的仿真结果4 6 图3 2 0 转换速率的测量4 7 图3 2 1 电路的开环增益一4 8 图3 2 2 反向输入闭环电路情况下的增益幅频响应4 9 图3 2 3 电路的线性分析5 1 图3 2 4 电路的噪声5 1 图4 1 m c b sa d c 中的一位比较器5 4 图4 2 比较器的输入输出比较图一5 5 图4 3 乘法器( 互导) 结构图5 6 图4 4 互导结构的输出电流5 6 图4 5 乘法器结构的输出电流5 6 图4 6 除法器电路5 7 图4 7 c m o s 差分器结构图：5 8 图4 8 米勒积分器结构图5 8 图4 9 基于c f o a 的低通带通滤波器一6 1 图4 1 0 通用滤波器结构图6 2 图4 1 1 c m o sc f o a 振荡器一6 3 v i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：缎 日期：扣艿，年岁月岁口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：缎 导师签名：需乙 日期：埘年岁月3 口日 日期：妒g 年厂月7 夕日 硕士学位论文 第l 章引言 运算放大器是许多模拟系统和混合信号系统中的一个基本电路。各种具有不 同复杂程度的运算放大器被用来实现各种功能，从直流偏置的产生到高速放大或 滤波。伴随着每一代互补金属氧化物半导体( c m o s ) 工艺，由于电源电压和晶 体管沟道长度的减小，为运算放大器的设计不断提出复杂的课题。特别是在信息 化高速发展的今天，作为基础单元电路的运算放大器对频率和速度的要求越来越 高。本文以电流反馈型的运算放大器作为研究对象，探索提高其性能的途径，对 获得高性能的运算放大器及其应用具有积极的意义。 1 1 研究背景及意义 上世纪9 0 年代以来，随着集成电路( i c ) 特征尺寸的持续缩小，芯片密度和 工作频率相应增加，降低电路的功耗已成为超大规模集成电路设计中除速度、面 积之外需要考虑的第三维度【lj 。 随着亚微米、超深亚微米技术的发展和系统芯片( s o c ) 技术的日益成熟， 采用电池供电的便携式电子产品获得了迅猛的发展和快速的普及；其性能要求越 来越高，开发周期越来越短，对开发与生产成本的制约也日趋严格，使低压低功 耗技术受到了极大的关注。由于电池技术的发展远远跟不上i c 与电子系统的发展 嵋j ，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样个人数字助理( p d a ) 产品都 对电子产品的供电电压和功耗提出了严格的要求。即使考虑到能源技术的进步， 例如，采用太阳能电池、燃料电池或设想中的微波电源来替代今天的电池。但这 些新能源要求电路工作在更低的工作电压下，例如单片太阳能电池提供的电压在 o 5 v 数量级，远低于目前使用的任何电池，甚至低于目前电路中m o s 晶体管的 阈值电压，对低压技术的要求将更为苛刻【3 】。另一方面，随着器件尺寸的缩小， c m o s 工艺的击穿电压也在降低，亦对电源电压提出了严格的限制【4 】。 在市场要求的强劲驱动下，低压低功耗i c 技术得到了很大的发展。然而，至 今为止，其主要进展还是在数字i c 与系统领域，在模拟i c 领域，虽亦取得了一 些进展，但其成熟程度远不能与数字i c 领域相比。低电源电压更对模拟i c 设计 构成了巨大的挑战【5 】。例如，低电源电压本身就直接限制了模拟电路的动态范围。 除此之外随着集成度的提高，i c 的特征尺寸越来越细，互连线等寄生电容的影响 也越趋严重。低电源电压加上相对大的输入输出电容，也严重影响模拟放大器的 转换速率、增益带宽等参数。噪声和兼容性的考虑又使在数字i c 中得到成功应用 的电压倍增技术无法用于模拟i c 的设计。由于i c 系统一般都离不开“数模混合集 电流反馈型运算放大器的设计及其应用 成”，增大电压摆幅、降低阈值电压的设想，将降低混合电路中数字电路的噪声容 限，引起静态功耗的上升。另外，为保证模拟电路的性能，在降低电源电压的同 时常需增加支路，导致电流增大，亦使降低功耗的效果受到影响。 上述种种因素使模拟i c 低压低功耗设计的研究面临着比数字i c 更多的困难。 即使在数字技术高度发展的今天，模拟i c 在各种电子系统中仍有着不可取代的重 要作用【6 1 。完整意义上的系统集成技术应看作模拟和数字i c 系统的混合集成技 术。由于c m o s 工艺的成熟和在现在处理器技术中的成功应用，通常要求系统中 的模拟i c 工艺与标准c m o si c 工艺兼容；因此，模拟i c 的低功耗研究需要迎 接诸多挑战，遇到的困难比数字i c 和纯数字系统更大：因此，低压低功耗i c 的 研究引起了广泛的重视与关注。 集成运算放大器( o p e r a t i o n a la m p l i f i e ro p a m p s ) ，简称运放，作为模拟和 数模混合电路中应用最为广泛的单元电路，其性能的提高能够使得整个系统的性 能上了一个台阶。因此本课题的目的是设计一个低压低功耗c m o s 运算放大器单 芯片，主要应用于要求低功耗和低电源电压的场合。例如生物传感器信号放大、 便携式电器产品、音频与视频产品和通信产品等等。 1 2 运算放大器的分类与特点及其应用 按反馈信号的类型可以将运算放大器分为电流反馈型和电压反馈型运算放大 器两种【7 1 。由于在电子电路，特别是模拟电路中电压信号被广泛应用，当前使用 的运算放大器主要为电压反馈型的运算。其中应用广泛的高性能的运算放大器有 4 种基本结构，它们分别是：套筒式共源共栅( t e l e s c o p i cc a s c o d e ) 运算放大器、 折叠式共源共栅( f o l d e d c a s c o d e ) 运算放大器、两级型( t w os t a g e ) 运算放大器、 增益提高( g a i nb o o s t e d ) 型运算放大器。为了降低功耗，在选取差动跨导运算放 大器类型时，当其他主要指标如开环增益、单位增益带宽、都可达到要求的前提 下，要尽可能选取低功耗类型的运放。表1 1 是这四种高性能运算放大器的各个 方面性能的比较结果： 表1 1 电压型运放的各项特性比较结果【7 j 【驯 硕十学位论文 本文所研究的运放为电流反馈型运放，相对电压反馈型运放来说它有更高的 速度和带宽，适合应用在音、视频、通讯设备以及高速网络中。 1 3 电流模式电路的发展 在电子电路中，尤其是在模拟电子电路中，人们长久以来习惯于采用电压而 不是电流作为信号变量，并通过处理电压信号来实现电路的功能，以此促成了大 量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。近二十年来，以电流为信 号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势逐渐被挖掘出来，促进了一种新型电 子电路一电流模式电路的发展【9 】。电流模式电路可以定义为：当选择电流而不是 电压作为电路中的信号变量，并通过处理电流变量来实现电路的功能，称为电流 模式电路【1 0 】。 电流传输器【1 1 】( c u r r e n tc o n v e y e r ，简称c c ) 是一种功能很强的标准部件， 将电流传输器与其它电子部件组合可以十分方便的构成各种特定的电路结构，实 现多种模拟信号处理功能，在这一点上电流传输器与通用电压模式运算放大器是 相似的。模拟技术中的几种最常见的信号处理功能( 加减、比例、积分等) 用电 流传输器都可以方便地实现。而且，由于电流传输器具有电压输入端和电流输入 端，因此，利用电流传输器既可以方便地实现电压模式信号处理电路，也可以方 便地实现由电流模式信号处理电路。电流传输器电路无论信号大小，都能比相应 的基于电压运算放大器的电路提供更大带宽下的更高电压增益，即更大的增益带 宽积【l2 1 。总之，电流传输器为性能较高的复杂电路设计提供了一种新方法，有助 于开发一些新的电路。 1 3 1 第一代电流传输器( c c i ) s m i t h 和s e d r a 早在1 9 6 8 年就提出了第一代电流传输器的雏形【】，是一种接 地的三端口网络，即四端器件，其符号表示如图1 1 所示。 、1 v x 图1 1 第一代电流传输器示意图 在图1 1 中，x 和y 是输入端，z 是输出端，另一端是公共接地端。该模块 的基本作用是：如果有一电压作用于输入端y ，则在输入端x 呈现一相等的电压。 如果有一输入端电流i 流如x 端，则有等量的电流流进y 端，同时，电流i 将被 电流反馈型运算放大器的设计及其应用 传送到输出端z 。这样，使得z 端具有高输出阻抗和电流值为i 的电流源特性。 由y 端电压确定的x 端电压与流进x 端的电流无关，而由x 端电流确定的流经 y 端的电流也与作用于y 端的电压无关。因此，这种器件在x 端口具有虚短路的 输入特征，在y 端口具有虚开路的特性。 1 3 2 第二代电流传输器( c c i i ) 为了增加电流传输器的通用性，s m i t h 和s e d r a 提出了没有电流流入y 输入 端的第二代电流传输器【1 1 】，其符号如图1 2 所示 v y v x v z 图1 2 第二代电流传输器示意图 c c i i 的y 端口的电流为零，x 端口的电压跟随y 端口电压，z 端口的电流跟 随x 端口的电流。c c i i 与c c i 的区别是消除了y 端口的电流。由此可见，y 是 电压输入端，y 端口呈现的输入阻抗为无穷大；x 是电流输入端，而且x 端口电 压跟随y 端口的电压，因而x 端口呈现零输入阻抗；低阻抗x 输入端的电流传 输到高阻抗的z 输出端，即在z 端口产生一个可控输出电流，该电流仅取决于x 端的输入电流，电流方向可相同也可相反。 电流反馈型运算放大器( c u r r e n t f e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f l e r ，简称c f o a ) 的内部电流可以看作是电流传输器c c i i 和输出电压缓冲器的组合，它无须象基于 电流传输器的应用电路那样再另外增加缓冲器。 1 4 国内外的发展动态 国际上，从1 9 7 7 年r e n ea v a n p a r y s 和r o g e rc u p p e n s 发表了c m o sa n a l o g i n t e g r a t e dc i r c u i tb a s e do nw e a ki n v e r s i o n 【1j 至今已经有2 0 0 多篇这方面的文章 陆续发表在i e e e 上面。很多的国外知名公司都在进行低压低功耗方面的研发工 作，并且已经推出了自己各自的产品。而关于c f o a 的研究则是在1 9 8 3 年 d n e l s o n 和s e v a n s 发表了an e wa p p r o a c ht oo pa m pd e s i g n 1 1 j 开始的。近 十年来，电流模式设计方法得到了重视和发展，并把模拟集成电路推倒了一个新 的阶段。传统上，模拟电路采用电压电压模式设计方法，在高频、高速信号处理 能力方面存在瓶颈，而采用电流模式的设计方法可以解决电压模式模拟电路系统 中一些难以解决的问题【l4 1 。电流模式电路已经成为速度快、频宽好、线性好、电 硕十学位论文 压低的新兴模拟集成电路的分支，并引起了国际学术界的极大关注，并迅速成为国 际电路与系统、微电子学等领域的前沿课题和研究热点。 在2 0 0 5 年，i n t e r s i l 公司推出了h f a l l 3 0 ，这是一种高速、宽带宽的c f o a ， 并且具有可编程的输出限制【1 5 】。通过i n t e s i l 公司互补双极工艺u h f 1 ，使得 h f a l l3 0 成为一款应用非常广泛的运放。对于对输出有一定要求，特别是适合应 用在需要非常快速的驱动恢复时间的电路中。输出限制功能让设计者能够设定最 大的正负输出电压，因此使电路在后设计阶段不受损害。该运放适合应用在视频 开关、脉冲和视频放大、带宽放大、r f i f 信号处理、医用的视频设备等等。 另外在2 0 0 6 年，德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 推出了一种低功耗超宽带宽 一o p a 6 5 8 【1 6 】，此款运放功耗仅为5 0 m w ，带宽为9 0 0 m h z ，转换速率为1 7 0 0 y 脚， 输出电流为8 0 m a 。即使在很高的增益情况下，仍可以达到超宽的带宽。另外， 低差分增益，宽的带宽和低的静态电流使得0 p a 6 5 8 成为很多视频、图象、通信 设备的很好的一个选择。而且，o p a 6 5 8 能应用在低增益中，同时可以形成双相 ( o p a 2 6 5 8 ) 或四相( o p a 4 6 5 8 ) 结构。在此前这家公司也致力与c f o a 的研究， 并有c l c 5 0 0 5 0 1 5 0 2 和o p a 6 5 8 、o p a 4 6 5 8 等一系列的成果【1 7 】。 在国内，由于受到工艺条件、基础研究与设计水平的限制，在c m o s 低压低 功耗运放的研发方面才刚刚开始，西南交通大学的段晓峰等在微电子学与计算机 发表的一种新型的c m o s 电流反馈运算放大器【”】设计出一种开环增益为8 l d b 、 共模抑制比为1 2 3 d b ，在1 5 v 电源电压下产生了约6 2 m w 功耗的电流反馈型运 算放大器。与国外还有很大的差距，研究开发具有自主产权的低压低功耗运放变 的非常重要。 1 5 设计运放的系统参数 3 0 多年前，多数运放被设计成通用的模块，适用于各种不同应用的要求，企 图制造一种“理想”的运放。与此相反，今天的运放设计，从开始就认识到各个参 数间的折中关系，这种这种关系最终要求在整体设计中进行多方面的综合考虑， 以下阐述一些运放的设计参数【1 9 】： ( 1 ) 增益 运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。但是，如果综合考虑速 度与输出电压摆幅这一类的参数，则必须知道所需要的最小增益。而且，高的开 环增益对于抑制非线性是必须的。 ( 2 ) 小信号带宽 运放的高频特性在许多应用中起重要作用。例如，当工作频率增加时，开环 增益开始下降。小信号带宽被定义为单位增益频率兀，在今天的c m o s 运放中， 电流反馈型运算放人器的设计及其应用 它可以超过1 g h z ，为更容易预测闭环频率特性，也可以规定3 d b 频率，。出。 ( 3 ) 大信号带宽 在当今的许多应用中，运放必须在瞬态大信号下工作，在这种情况下，非线 性现象使得对速度的表征非常困难，很难通过小信号特性来表示速度。 ( 4 ) 输出摆幅 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。例如，能响 应管旋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，要求 其后的放大器和滤波器处理大的摆幅( 并且或者达到低噪声) 。 对于大输出摆幅的需求使全差动运放使用相当普遍，这种运放产生互补输出， 大约输出有效幅度的两倍。尽管如此，最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、 因而与速度之间，其性能指标是相互制约，达到大的摆幅在当今的运放设计中是 主要的课题。 ( 5 ) 线性 开环运放有很大的非线性，非线性问题通过二种办法可以解决：采用全差动 实现方式以抑制偶次谐波；提供足够高的开环增益以使闭环反馈系统达到所需要 的线性。值得注意的是，在许多反馈系统和反馈电路中，决定开环增益选择的因 素是线性的要求，而不是增益误差的要求。 ( 6 ) 噪声与失调 运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平。在常用的运放 电路中，许多器件由于必须用大的尺寸或大的偏置电流都会引起噪声和失调。我 们还必须认识到在噪声和输出摆幅之间的折中问题。对于给定的偏置电路，提供 较大的输出摆幅，则他们的跨导便会增加，它们的漏噪声电流也会增加。 ( 7 ) 电源抑制 运放常常在混合信号系统中使用，并且有时连接到有噪声的数字电源线上。 因此，在有电源噪声时，尤其是在噪声频率增加时，运放的性能是相当重要的。 所以全差动结构更受欢迎。 ( 8 ) 输入范围限制 尽管差动输入摆幅通常很小( 小到开环增益的倒数) ，但输入共模电平在某些 应用中要求在宽的范围内变化。有意义的是，电压摆幅的限制由输入差动对决定， 而不是由输出共源共栅支路决定。扩展输入共模范围的一种简单方法是混合使用 n m o s 差动对和p m o s 差动对，使得一个“死”时，另一个“活”。其思想是把具有 n m o s 和p m o s 输入差动对的二个折叠运放结合起来。这样，当输入c m 电瓶接 近地位时，n m o s 差动对的跨导下降，最终为零，尽管如此，p m o s 差动对还在 正常工作。 ( 9 ) 转换速率 硕十学位论文 反馈电路中使用的运放表现出所谓“转换”( s l e w i n g ) 的大信号特性。它是一 种非线性现象。例如，输入幅值增加一倍，在输出的所有点上，其电平并不增加 一倍，因为斜坡表现出与输入无关的斜率。在处理大信号的高速电路中，转换是 一种不希望的现象，尽管一个电路的小信号带宽可以提供快速时域响应，但大信 号的速度也许会被转换速率限制，原因是对电路中的主要电容器充电或放电电流 太小。而且，由于转换期间输入输出关系是非线性的，转换放大器的输出表现很 大的失真。 1 6 本文研究内容 第一章，总体介绍了本文研究的内容，其中包括此课题的研究背景、意义以 及将设计电路的特点和发展历史。 第二章，分析了电流反馈型运算放大电路的基本结构和电路模型并阐述了其 闭环直流特性和频率特性。 第三章，设计了各个子电路，最终确定整体电路，并对所设计的电路进行仿 真验证。 第四章，将本文所设计的c f o a 结构应用在各种电路中，并对其进行仿真验 证。 电流反馈型运算放大器的设计及其应用 第2 章电流反馈运算放大器的设计与特性分析 电流反馈运算放大器，又称跨阻运算放大器，它是2 0 世纪9 0 年代初期迅速发 展的新型超高速运放。在负反馈闭环工作时，由输入端馈入低阻，反向输入端的反 馈量是电流，它是一种带输入电压缓冲级的跨阻放大器，其开环增益的量纲是跨阻 【2 0 】( 或互阻) ，与传统的电压模式运算放大器即电压反馈运算放大器( v b l t a g e f e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，简称v f o a ) 相比，它具有完全不同的拓扑结构和 工作原理，是集成运算放大器的最新成果。基于日趋成熟的双极互补集成工艺及电 流模拟模式电路设计技术，c f o a 具有极佳的动态特性【2 1 1 。它处理大幅度、高频率 信号的能力远优于传统的v f o a ，其电压转换速率达1 0 0 0 v u s 3 5 0 0 v u s ，阶跃输出 o 1 过脉冲精度的建立时间为l o n s 1 0 0 n s ，电流反馈运算放大器在高性能视频系 统、高速通信系统、高速精密模数( a d ) 及数模( d a ) 转换领域有较高的应用 价值。 本章首先从c m o s 器件的模型入手，然后分析了电流反馈运算放大器的拓扑 结构，给出其电流模型电路；介绍电流反馈运算放大器电路的工作原理，对双极 型集成电流反馈运算放大器的电路进行分析。在实际应用中，电流反馈运算放大 器大多工作于闭环负反馈状态，因此本章还将分析电流反馈运放的闭环特性，重 点了解其闭环增益与带宽的关系，从而可以清楚地看到由电流反馈运放构成闭环 放大器的电路性能具有与传统的电压反馈运算放大器的不同特性。 2 1c m o s 器件模型 2 1 1 小信号模型 在运放的性能参数中，电源电压抑制比是非常重要的，对它的分析一般要用 到m o s 的小信号模型，所以熟悉m o s 管的小信号模型有利于电路结构的设计。 可以通过在偏置点产生一个小增量，并计算它所引起的其它偏置参数的增量来得 到小信号模型【_ 7 1 。由于m o s 管经常工作在饱和区，其相应的小信号模型如图2 1 所示。由于漏电流是栅源电压的函数，这里引入一个值为g 研s 的压控电流源， g 和s 之间的低频阻抗很大。由于沟道长度调制效应，漏电流如也随漏源电压 变化，这一效应也可用一个压控电流源模拟，但如果一个电流源的电流值与它两 端的电压成线性关系，则该电流源就等效于一个线性阻抗。 硕士学位论文 g 图2 1 m o s 的小信号模型 乞2 等= 击= d 吒s 雾巧云而瓦 ( 2 1 ) 输出电阻影响模拟电路的许多特性，而衬底电势影响阈值电压，因而也影 响栅源过驱动电压，在所有其他端子保持恒定电压的情况下，漏电流是衬底的函 数。用连接于d 和s 之间的电流源模拟这一关系，其电流值为踟6 ，式中 g 呐= 8 i d | 硎b s o 另外，图2 1 相对于完整的小信号模型来说忽略了寄生电容对电路的影响， 如果在高频应用领域中，则应该分析各个节点之间的电容对整个电路频率的影响。 2 1 2 大信号模型 掌握大信号模型不仅可以帮助理解电路结构的选择，还可以尽快确定电路的 静态工作点及器件的尺寸。 以n m o s 管共源接法为例，按照漏电流随漏源电压的不同变化关系，可将 m o s 管的工作状态分为四个区域： ( 1 ) 线性区 在此区域内，如随s 的变化近似线性变化。由半导体物理的相关知识可以 知道，如果p 型衬底的掺杂浓度一定，当矿嘞( 嘞是阈值电压，是指为了使 半导体表面出现强反型，从而形成导电沟道所需加的栅源电压) ，在靠近栅氧化层 的衬底表面会出现n 型反型层，即形成源区和漏区之间的导电沟道，此时若漏源 电压为零，则沟道内各处电位相同，没有漏源电流。当p 0 时，在沟道内产生 横向电位梯度，便形成了漏源电流。当v 脚增加时，电流i d 也随之增加，只要 正跗7 ，易便与s 呈线性变化关系，此时源区和漏区之间的沟道可以用一个 线性电阻表示，该电阻等于 ( 2 2 ) l l 鲫 足 电流反馈型运算放大器的设计及其应用 此时的伏安特性方程为： l = l ( 一) 一专唿i ( 2 3 ) ( 2 ) 饱和区 当s 继续增加到刚正一引_ d s 时，漏极沟道夹断而消失，s 增加的电 压基本上都加在沟道厚度为零的耗尽区上，由于沟道两端电压基本不变，所以电 流易不再随s 继续增加而达到饱和值。但s 将影响饱和电流值的大小。一般 情况下，m o s 管都工作在这个区域，因为这时它的跨导保持不变，有利于电路状 态的稳定和减小噪声。 厶= 譬( 一) 2 ( 2 4 ) ( 3 ) 雪崩击穿区 当s 增加到等于漏源击穿电压b s 时，反向偏置的漏一衬p n 结因雪崩倍增 效应而被击穿，易将随s 的增加而急剧增加，此时漏电流不经过沟道，而直接 由漏极流入衬底，器件很可能遭到破坏。因此在电路设计的时候，务必要避免 m o s 管工作在雪崩击穿区。 ( 4 ) 亚阈值 在实际应用中，当m o s 管的栅源电压s 趋近于阈值电压时，如s 特 性曲线由平方律关系转变为指数关系。s 大于阈值电压的区域叫作强反型区域； s 低于阈值电压的区域叫做亚阈值或弱反型区域( 实际上这两个区域的转变并 不是十分明显) 。 假定沟道长度足够长，s = o 以及。 4 坼，则在亚阈值工作状态下的m o s 场效应晶体管漏极电流易可由等式( 2 4 ) ，( 2 5 ) 表示， ，d = s 。 唧( 华卜噶睁x p ( 警) ( 2 5 ) 在这里我们认为。= 2 b ， 舾嘱訾e 冲( 警 6 ， 其中，f f 为修正常数项。因此比较式( 2 5 ) 与( 2 6 ) ，当漏极电流如相等 时，得到 坚当出里：织一2 九 ( 2 7 ) 根据表面势垒西s 以及费米势西b 与温度r 的关系，得到 姒耻姒畦一等n 时竽竽丢 他8 ， 硕上学位论文 m 耻“畦一等- n 盼掣一掣丢 9 ， 由等式( 2 5 ) 和( 2 6 ) ，把矽。一2 九作为温度函数有 织( 丁) 一2 九( 丁) = 【噍( 瓦) 一2 九( 瓦) 】 ( 2 1 0 ) 0 因此对于给定的漏极电流幻，根据等式( 2 7 ) 有 = m 阡+ 怒删驴( 耻丢 ( 2 假定刀( ，丁) 随温度变化很小( 即刀口) 疗( 瓦) ) ，以及建模的阈值电压为， ( ，丁夕= f ，瓦) + k t f ，丁瓦一1 ) ，且k t 1 ) ，则跨阻增益 由z 变为k z ，开环增益变为a = k g z ( v p v n ) 。 2 2 3 2 理想c f o a 特性分析 1 c f o a 电路的工作原理。 在分析c f o a 工作原理和动态特性时，设c f o a 接成了同相放大方式。当输 入端存在差动电压时，i n 随之产生，于是有 v o = z ( j w ) i n ( 2 1 7 ) 式中z ( j w ) 就是前面提到的跨阻增益级的等效阻抗，它是频率的函数( 图 3 4 ) 加上负反馈之后，在反馈的作用下，可以认为v n = v p ，利用电路叠加原理 得到： 矿t l = l 一上 ( 2 1 8 ) “ 蜀rr 很明显，第二项一恐是电流型的负反馈信号，正是它使得i n 在闭环时趋 硕士学位论文 近于零。 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 8 ) ，得到： 惮c 一，击一乏 因而得到 则 若令 驯2 争酉 4 小 r ( 一) = 承 趴批彘 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 由式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 知，直流时，钺扣，2 i 亨菱石2 志，一 般作反馈用的恐和墨小于m o h m 量级，而z ( j o ) 在g o h m 量级，使得z ( j o ) 恐，或t ( j o ) l ，所以可认为a ( j 0 ) = a o ，a o 因此可以被称为直流闭环 增益。由式( 2 2 2 ) 定义的t ( j w ) 实际上就是该闭环回路的环增益，因为根据