（微电子学与固体电子学专业论文）高性能cmos运放的设计与自动综合.pdf

复旦大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究了高速高增益 c mo s运放的设计以及运放的自 动综合问 题。 论文首先介绍了运放设计的一些基本概念。对通常结构的运放的性能作了 归纳和比 较，并介绍了最近设计运放所用到的技术。 其次，研究了应用于 4 0 m h z 1 0位高速流水线 a d中的增益自举 o t a ( o p e r a t i o n a l t r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i fi e r ) 。 由 于 所设计 流水 线a d的 核心 单 元 是 1 . 5 b i t 余量增益电路，所以着重研究了余量增益电路。通过小信号分析得 到o t a的差分小信号传递函数，发现传递函数具有零极点对，讨论了零极点 对的存在对建立时间的影响。详细分析了余量增益电路的噪声特性，建立时 间特性。讨论了 o t a的增益对余量增益电路精度的影响，电容的匹配精度对 余量增益电路精度的影响，流水线 a d的性能指标对 o t a增益、电容的匹配 度、o t a的带宽、电容的取值、o t a噪声的要求。根据 1 . 5 b i 七 余量增益电路 的建立时间关系式确定出合适 o t a的带宽及电流，从而达到功耗的优化设计。 接着讨论了 应用于e 调制器中的a h u j a 补偿的2 级o t a 。由于e 调 制器中的核心电路是开关电容积分器，所以着重研究了积分器的特性。通过 小信号分析得到o t a的差分小信号传递函数，此传递函数具有一个主极点和 一 对共扼的复极点。 共辘复极点 可以 用自 然频率w n 和阻尼系数f 表示。 通过 用 m a t l a b 对参数自 然频率和阻尼系数进行扫描，得到了积分器具有较好的建立 特性时合适的自然频率和阻尼系数取值。根据积分器的建立时间关系式确定出 合适的o t a带宽以及电流达到优化功耗设计。 最后，讨论了运放的自动综合问题。对模拟电路综合的基本思想做了介 绍。讨论了代价函数的选取。对单纯形和模拟退火两种数学优化算法作了分析 和比较。设计出了一个基于模拟器采用单纯形优化算法的o t a自 动综合程序， 并给出此程序自 动综合出的一个 o t a实例。 关键词:流水线 a d ，增益自 举，余量增益电 路，e 调制器，开关电容积 分器，自 动综合，单纯形，模拟退火 ab s t r a c t abs t r a c t h i g h s p e e d ,h i g h g a i n c mo s o p e r a t i o n a l a m p l i fi e r ( o p ) i s t r e a t e d i n t h i s t h e - s 招 。 f i r s t , a b r i e f i n t r o d u c t i o n o f o p i s p r e s e n t e d . n o r m a l k i n d s o f o p s a r e d i s - c u s s e d a n d c o m p a r e d . r e c e n t n e w t e c h n o l o g y i n d e s i g n o f o p i s g i v e n . s e c o n d ,g a i n b o o s t e d o t a u s e d i n 4 0 mh z 1 0 b i t p i p e l i n e a d i s i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l . b e c a u s e t h e k e y u n i t o f p i p e l i n e a d i s 1 . 5 b i t s t a g e , c h a r a c t e r i s t i c o f 1 .5 b i t s t a g e is s t u d i e d . d i ff e r e n t i a l s m a l l s i g n a l t r a n s f e r f u n c t i o n o f o t a i s o b t a i n e d t h r o u g h s m a l l s i g n a l a n a l y s i s . t h e t r a n s f e r f u n c t i o n h a s a d o u b l e t a n d t h e i m p a c t o f t h e d o u b l e t o n t h e s e t t l i n g t i m e i s e m p h a s i z e d . n o i s e , s e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f 1 . 5 b i t s t a g e , i m p a c t o f o t a g a i n o n 1 . 5 b i t s t a g e a n d i m p a c t o f m a t c h i n g o f c a p a c i t o r s o n 1 .5 b i t s t a g e a r e d i s c u s s e d . r e q u i r e m e n t s o f p i p e l in e a d p e r f o r m a n c e s p e c i fi c a t i o n t o o t a g a i n , o t a b a n d w i d t h , o t a n o i s e , m a t c h i n g o f c a p a c i t o r s a n d v a l u e o f c a p a c i t o r s a r e s t u d i e d . o t a b a n d w i d t h a n d c u r r e n t c a n b e o b t a i n e d t h r o u g h s e t t l i n g t i m e f o r m u l a o f 1 .5 b i t s t a g e t o o p t i m i z e p o w e r . t h i r d , 2 s t a g e o t a w i t h a h u j a c o m p e n s a t i o n a p p li e d i n e o m o d u l a t o r i s t a k e n i n t o d i s c u s s i o n . b e c a u s e t h e k e y u n i t o f e o m o d u l a t o r i s s w i t h e d c a p a c i t o r in t e g r a t o r , s w i t c h e d c a p a c i t o r i n t e g r a t o r i s s t u d i e d i n d e t a i l . s m a l l s i g n a l t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h i s o t a i s a c q u i r e d t h r o u g h s m a l l s i g n a l a n a l y s i s . t h e t r a n s f e r f u n c - t i o n h a v e a d o m i n a n t p o l e a n d a p a i r o f n o n d o m i n a n t c o n j u g a t e p o l e s . c o n j u g a t e p o l e s c a n b e d e s c r i b e d i n n a t u r a l f r e q u e n c y w n a n d d a m p i n g f a c t o r 万 .a p p r o- p r i a t e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d d a m p i n g f a c t o r w h e n s w it c h e d c a p a c i t o r i n t e g r a t o r h a s g o o d s e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i c a r e o b t a i n e d t h r o u g h s w e e p i n g t h e t w o p a r a m e t e r s i n m a t l a b . o t a b a n d w i d t h a n d c u r r e n t c a n b e o b t a i n e d t h r o u g h s e t t l i n g t i m e f o r m u l a o f s w i t c h e d c a p a c i t o r i n t e g r a t o r t o o p t i m i z e p o w e r f i n a l l y , a u t o m a t i c s y n t h e s is o f o p e r a t i o n a l a m p l i fi e r is in v e s t i g a t e d . b a s i c c o n c e p t i o n o f a u t o m a t i c s y n t h e s i s i n a n a l o g c i r c u i t d e s i g n i s i n t r o d u c e d . s e l e c t i o n o f c o s t f u n c t i o n i s d i s c u s s e d . t w o k i n d s o f o p t i m i z a t i o n m e t h o d , s i m p l e x m e t h o d a n d s i m u l a t e d a n n e a l i n g , a r e a n a ly z e d a n d c o m p a r e d . a n o t a s y n t h e s i s p r o g r a m a d o p t i n g s i m p l e x m e t h o d i s d e s ig n e d . k e y w o r d s : p i p e l i n e a d , g a i n b o o s t e d o t a , e d m o d u l a t o r , s w i t c h e d c a p a c - it o r i n t e g r a t o r , a u t o m a t i c s y n t h e s i s , s i m p l e x m e t h o d , s i m u l a t e d a n n e a l i n g 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 1 . 1 研究背景和意义 高速流水线a d广 泛应用于图像采集电路中，射频基带处理电路中。e o 调制技术通过提高过采样率来获得高精度，并月 _ 避免了对元器件匹配精度的较 高 要求，能 够实 现传统n y q u i s t 率a d达不到的 精度，己 成为实现中 低 速、高 精度模数转换器的主要技术，其广泛应用于语音编码、数字音频、i s d n等领 域。余量增益电路是高速流水线 a d核心单元，开关电容积分器是 e 调制器 的核心单元，它们的性能直接影响到流水线 a d和 e 调制器的性能。而高 速、高增益的运放是设计好余量增益电路和开关电容积分器电路的关键所在。 随着集成电路下艺的发展，特征尺寸以及电源电压不住降低，m o s 管的输 出阻抗也会降 低， 但其特征频率方会升高。 对于普通的 折叠级联o t a ( f o l d e d c a s c o d e o t a ) 高速和高增益是两个矛盾的 指标，为了同时满足高速和高增益 这两个指标， 必须提出 新的电 路结构。 这包含增益自 举o t a . a h u j a 补偿的2 级 o t a 、以及采用多级补偿技术的 o t a结构。 随 着v l s i 工艺的 发展， 专用集成电 路( a s i c ) 朝 着系统集成的 方向 发展。 这类系统既包含数字电路又包含模拟电路。对于数字电路，人们研制出了较好 的c a d工具，大大简化了数字电路设计的复杂度并缩短了设计时间。而模拟 电路大部分依靠人们手工设计，这需要大量的时间。如果模拟电路也能实现设 计的自 动化，那么将节省大量的设计时间。模拟电路自 动设计包含线路设计和 版图设计。 1 . 2 主要工作和创新 在论文工作期间，本人查阅了大量的运放的设计资料，对不同结构的运 放性能作了比较。在这里作重研究了两种高速、高增益运放:增益自 举o t a 和a h u j a 补偿的2 级o t a 。 详细分析了 这两 种o t a的小 信号 模型， 并且研究 了如何通过所设计的流水线 a d和 e 调制器的性能指标来确定所设计的o t a 的各项指标，然后通过信号的建立时间对 o t a进行功耗最优化的设计。 在此基 础上研究了运放的自 动综合，对不同的优化算法作了分析和比较，最后设计出 一个基于仿真器的采用单纯形优化算法的运放的自 动综合程序。 1 . 3 论文的组织结构 论文的各章安排如下。第二章对运放的一些基本概念以及结构作简单的介 绍。第三章主要研究了应用于流水线 a d增益自 举 o t a设计，首先对此 o t a 的作了小信号分析，然后讨论了 流水线a d的速度、精度等指标性能对 o t a的 第一童 引言 增益、带宽、噪声等性能要求，最后给出了设计流程和仿真结果。第四章主要 研究了 应用于e 调制器的 采用a h u j a 补偿的2 级o t a的 设计，首 先分析了 此 o t a的小信号模型，然后通过 m a t l a b仿真得到此运放两个共扼复极点设计 原则，再对积分器的建立时间作了分析，最后给出了设计流程以及仿真结果。 第五章主要研究了 运放的自 动综合，首先对模拟电路优化设计的思想作了简单 介绍，然后分析比较了单纯形和模拟退火两种优化算法，最后给出了一个运放 的自动综合实例。第六章为结论和展望。 复旦大学硕士学位论文 第二章概述 2 . 1 运放性能参数简介 1 , “ ， 1 0 可以将运放称为 “ 高增益差分放大器”。一般情况下运放的开环增益可以 根据应用的场合来决定，其值在 1 0 0 到 1 0 5 之间。以前运放被设计成通用的模 块，具有很高的增益，较高的输入阻抗，及较低的输出阻抗。然而这样会影响 其它的性能，如单位增益带宽，功耗等。现在设计运放时，一般要将运放放在 整个电路系统中来考虑，根据特定的应用来确定运放的各个性能参数，这样设 计出 来的 运放才能最符合要求。 下面介绍 运放的一些 性能 参数。 开环增益 开环增益是运放开环时输入为差分小信号时直流增益。高的开环增益可以 抑制非线性。 单位增益频率 运放的高频特性对信号的建立起着关键作用。单位增益频率定义为运放的 开 环增益为1 时的信号 频率几。它也是运放接成单位增益闭环后的一 3 d b带 宽。 压摆率 当运放的输入端加一个大的阶跃信号时，运放的输出端电压最大的变化斜 率就是运放的压摆率。 输入失调电 压和噪声 实际的运放在在输入电压为零的情况下，输出电压不为零。将输出电压为 零时加在运放输入端的电 压v o 。 定义为 输入失调电 压。一般c m o s 运放的失调 电压为 5 - 1 0 m v 。运放的噪声特性可以用一个等效到运放输入端的噪声源来表 不 。 共模抑制比 共模抑制比( c m r r ) 定 义为 交流差 分小 信号 增益同 共模增益的比 值。 电源抑制比 当运放的正电源或者负电源串连一个交流小信号电压时，这个信号会传输 到 运放的 输出 端口电 源抑制比( p s r r ) 定义为 差 分交 流小 信号 增益同 电 源增益 的比值。 2 . 2 全差分运放 许多高性能的模拟集成电路都采用全差分的信号通路。对于运放来说就是 像输入一样采用差分输出。 第二章 概述 2 . 2 . 1 全差分运放的优缺点 1 1 1 采用全差分运放可以大大降低在开关电容电路中衬底祸合噪声、开关 开闭引起的噪声以及时钟馈通 ( c l o c k f e e d t h r o u 七 h ) ，并且可以提高电 源抑制 比( p s r r ) 。 全差分运放能 够很好的 抑制噪声主要 是因 为 其完全是 对称的 结 构， 那么噪声将会对两个同样信号通路都起到影响，从而噪声会被抑制。另外全差 分运放还有一个优点， 就是由 于是差分输出 从而提高了 输出 信号的 摆幅( o u t p u t s w i n g ) ， 其输出 摆幅是单端运放的 两倍。 全差分 运放的 一个缺点是同 单端运放相比 必须增加共模反 馈电 路( c o m m o n - m o d e f e e d b a c k c i r c u i t ) 。 增 加了 共模反 馈电 路后全 差分 运放的 输出电 压的 共模值 才能稳定。一般情况下，输出电压的共模值接近电源电压的一半。共模反馈电 路的带宽必须可以同全差分运放的差分小信号带宽可比拟，否则就不能很好地 抑制电源噪声、衬底祸合噪声、时钟馈通以及获得较好的建立特性。 2 . 2 . 2 共模反馈电 路介绍 共模反馈电路是为了稳定全差分运放输出电压的共模值。通常共模反馈电 路可以分成两类:连续时间的共模反馈电路和离散时间共模反馈电路。连续时 间的共模反馈电路通常是限制输出信号摆幅的一个因素，当输出信号摆幅大于 一定的值时共模反馈电路有可能不正常工作。另外连续时间的共模反馈电路一 般要消耗直流功耗。而离散时间共模反馈电路应用于开关电容电路中，其没有 静态功耗。 + ) i b+ ) i , v o u tp 叫q i q zq a q a 卜 v o u tn v c t r i 图2 . 1 : 一个连续时间共模反馈电路 图( 2 . 1 ) 为一 个连续时间的 共模反 馈电 路h l l o由 电 路图 可以发 现当 输出 复旦大学硕士学位论文 电 压共模电平升高时，控制电压v d , 1 升高，这里的控制电压会反馈到主运 放中， 导 致输出电 压的 共模 值降 低。 如果v o u tp 升高到v . 。 十拒v e f f l ( 这 里v e f f l =玲 : ， 一 v t h l 为q l 的 有效栅压) 时q ， 和q 3 都截止， q : 和q 流经 的电 流都为 i g ，此时共模反馈电路已经失去作用，从这里发现这个共模反馈电 路对输出 信号的摆幅起到了限制作用，为了 提高输出 信号的摆幅， 可以 增大q 1 的有效栅压。 2 . 2 . 3 全差分折叠级联o t a和套筒级联o t a简介 1 , 1 2 ) vddvb3 mll m12f- 1 b一 一仁- l o in v 6 月 。 ， - i f -a x - v.3d i i万2 m8 m5am 6 图 2 .2 : 全差分折叠级联o t a 图( 2 . 2 ) 为 全差分的 折叠 级联o t a ( f o l d e d c a s c o d e o t a ) 的 线路图( 不 包含 偏置电路和共模反反馈电路)。差分小信号传递函数为 、，.、，.产 ，工c : q白q曰 了.，t ， 。 (， ) 一 a v o - 一 ( + sw 1)(1 + sw 2) 开环增益为 a v o 9 m1 : 二目 -， 一一 一 ， 一目 -一一 一- 一一一 一 份 9 d s 4 ,、9 d e l o -l g d s s +9 d s l 十9 d 9 7 ) 一二 - - lj d s 1 2 .9 m4 y ml o 单位增益频率 4 石 . l 田u = 氏 +c d b 4 十几b l o ( 2 . 3 ) 第二章 概述 次极点 夕 m4y m4宁 y -b 4 ca ( 2 . 4 ) 这里 电容。 心 =马。 ; + 矶b 4 + c d b 6 十c d b : 十 d b l + c g d l + c g d 6 +马d : 为a点的 寄 生 o t a的等效输入噪声为 , e , 8 kt 3 9 . 1 9 m 1 2 9 m 6 十9 - 7 , 以+) 夕 .1夕 ml ( 2 . 5 ) 由于次极点。 2 非常的大，所以此o t a的单位增益频率可以设计得很高。 但是当此 o t a的单位增益频率设计得很高时，次极点w 2 就要推得很远，那么 就要管子的 沟道长度必须取得较小， m o s 管的输出 阻抗r d s = 1 / ( a i d 小 a 随 着沟道长度的减小而增大，这就导致mo s管的输出阻抗的降低，从而使得整 个电 路的 增益下降，在c h a r t e r e d 0 .3 5 a m工艺下整个o t a的 增益只有大 约6 0 个 d b . 所以高速和高增益是一对矛盾。 vdd-盘 vi n p 叫 m l v b 3 ir4 月l m - v o u t p m 3 i f - - v h 2 州 图 2 . 3 : 全差分套筒级联 o t a 图( 2 .3 ) 为 全差分套筒级联o t a的电 路图。它的差分小信号 传递函 数同 折 叠级联 o t a类似。它同折叠级联 o t a相比优点是:静态电流小，开环增益 大， 噪声 性能 好。 缺点 是: 输入电 压共 模值范围( i c m r ) 以 及输出 信号 摆幅比 折叠级联 o t a小。 2 . 3 近期 c mo s运放设计技术简介 复旦大学硕士学位论文 图 2 . 4 : 增益自 举 c as c o d e 增益单元 为了 提高 运放的 增益，出 现了 增益自 举技术1 3 , 1 6 ) 。图伶 4 ) 为 增益自 举c as c o d e 放大单元的电路图。加了增益自 举电路后，增益会增大到约为原来 的a a d d 倍。 假设辅助放大器的单位增益频率为。 、 。 ，整个放大器的单位增益频 率 为。 、 ， 那么 在。 二 。 附 近 产生 零 极点 对( d o u b l e t ) , la . . 月 “ ” ( 口为 反 馈系 数 ) 时零极点对的存在对建立时间影响可以忽略。 a o r i 9 所以 流经 管子m 3 0 和m 3 4 的电 流相等。 在偏 置回 路 中，有 v g s 2 7 =v g s 3 1 +r i d 2 7( 3 . 1 3 ) 又因为有 v e f f =沁， 一v t 1,( 3 . 1 4 ) 第三章 应用于高速流水线 a d的增益自举 o t a优化设计 m3 4 v b 3 m3 0 m4 6 m3 3 v b 4 n 巧0 m45恻vb3码 体械起 鼎黯荔 m 3 2 1 i _ _些 m3 7 v b 2 m4 7 m4 尸.jleseses vbvb mz一耐 m3 6 v bl m31 m2 7 m41 m3 5 r / l - - - - - - t 偏置回路 启动电路 c a s c o d e 偏置 图3 . 7 : 恒定跨导偏置电路 所以有 v e f f 2 7 =v e f f 3 1 + 上面的公式可以写为 / 2 i d 2 7 v p n c o x ( wi l ) 2 7 整理得到 ri d 2 7( 3 .1 5 ) 2 i d 2 7 p . c _ ( w1 l ) 3 1 +几 了 d 2 7( 3 . 1 6 ) . 一一一兰一一一。 : _ 了 2 p 衷丽w / l ) 2 7 i d 2 7 - ( 3 . 1 7 ) 所以 2 ( 1 一 9 - 2 7 =一 一 一r一 一 一 右上面的公式可以发现 m o s 管 m 2 7的跨导只是由电阻 r , m o s 尺寸之比 值决定， 同电 源电 压无关。当( w i l ) 3 : 二4 ( w / l ) 2 : 时 ( 3 . 1 8 ) 管m 2 7 和m 3 1 有 1 9 + x 2 7 =五 ( 3 . 1 9 ) 复旦大学硕士学位论文 在 这里不 仅仅是9 + x 2 7 恒定了， 其余的 可以由下面的公式表示 n m o s 和p m o s 管的 跨 导 也 恒 定了 ， 它 们 ( 叫 l ) ; 夕 爪几= 9 + a p= ( w/ l ) ( 3 .2 0 ) i i p ( wi l ) . i 仄 而 五 瑟9 x 2 7 ( 3 . 2 1 ) 另外次偏置电路还需要加启动电路。如果不加启动电路，有可能出现电流为零 的状态。这里启动电路由m 4 7 , m 4 8 , m 4 9 , m 5 0 构成。启动电路只会在电路 刚上电时起作用。 3 . 7 根据 a d 的性能确定 o t a的指标 7 表 3 . 1 : a d性能指标 位数1 0 采样频率4 0 mhz 电源电压3 v 工艺 c h a r t e r e d 0 . 3 5 p m dnl0 . 5 l s b i nl0 . 5 l s b 量 化 参 考电 平v d a 。和v d a cp 1 v 2 v 表格( 3 . 1 ) 为所设计的 流水线a d的 设计的 性能指标。 3 . 7 . 1 a d 1 . 5 b i t s t a g e余量增益电路 v i n p v d a c p v c o m r uat p v d a c n * - - - v i v i n n 图3 . 8 : 1 .5 位余量增益电 路 第三章 应用于高速流水线 a d的增益自举 o t a优化设计 0 叭 典 图 3 . 9 : 时钟时序图 女 。 .b. m7 v i 几yo 皿 t 图3 . 1 0 : b o o t s r a p p e d m o s s w i t c h 图( 3 .8 ) 为 流 水 线a d 1 .5 b i t s 七 a g e 电 路图 ， 时 钟时 序图 见图俘9 ) 。 由于电源电压的降低，导致互补开关的导通电阻的升高，从而不满足设计 要求。 这里开 关采用b o o t s t r a p p e d 型开 关2 6 , 2 6 。 其工作原理如下:当e l k 为 低 电平时，cl k为高电平，m a , m 9导通，a 1 点降至低电平，从而开关管m 7 关 断，此时a 1 点为低电 平，a 2 点为高电平，电容 c上的电压为电 源电 压 v d d a 当c l k为高电平时，a 4点电平降低，导致 m 5导通，从而使得 a 3点电平上 升， 使 得m 3 截 止， m 6 和m 7 导 通。 开 关管m 7 此时的 栅 源电 压可 用式( 3 .2 2 ) 表示，这里饰 为a 2点的寄生电容。当c 饰 时，m 7 栅源电压就很接 近v d d ， 一般c取值时要满足c 4 外。由 于m 7 栅源电 压固 定， 所以 其导 通电阻恒定，故采样电 路的非线性大大降低。 c v g s (m 7 ， 一 c 下 g ,p- v d d ( 3 .2 2 ) 复旦大学硕士学位论文 3 . 7 . 2 o t a 的增益指标 7 , 2 4 1 假设电 容的匹 配精 度非常 好， 从图( 3 .8 ) 可以 得到保持阶段输出电 压为 这里 足 v o u t 一 2 ( 1 一 a ) (v in p0一 v in n ) 一 b v ef (1 一 不 )(3 .2 3 ) b = - 1 , 0 , + 1 ，为了使 a d的d nl 2 n 对于 n 到 9 0 d b = 1 0 ,a 0 1 0 2 4 ，由于采用了 增益自 举折叠级联o t a 以上，其对 a d的 d n l造成的影响可以忽略。 ( 3 .2 4 ) 其增益可以达 3 . 7 . 3 2 4 1 假设 电 容的匹配精度 7 , o t a的增益相当大， c 则从图( 3 .8 ) 可以 得到保持阶段输出电 压为 v o u t 一 ( 2 + 万) ( v i n p 一 v o u t n ) 一 b v - f ( 1 + ( 3 .2 5 ) 为了使 a d的 d nl 0 . 5 l s b，电容的匹配精度必须满足 1 2n- 1 但是考虑到信号不完全建立引入的误差， ( 3 . 2 6 ) 电容的匹配精度要求一般会提高到 ( 3 .2 7 ) 1-洲 c一， 献-c 对于n=1 0 ， 电 容匹配精度必须满足 达到0 .5 p以上。 0 . 1 %，而满足此要求的单位电容要 3 . 7 . 4 o t a的噪声指标 7 , 1 4 1 由 于 热噪声的 影响， a d的 信噪比( s n r ) 会下降。 a d在输入振 幅为v - f 的正弦波时，输入信号的能量为 p819. 一 ; v of ( 3 . 2 8 ) 另 外量 化噪声在卜0 .5 0 0 .5 a 之间 均匀分布 二 率密度函数为 2 环o f 2 n一1为量化间隔 ) ， 其概 ( 3 .2 9 ) 第三章 应用于高速流水线a d的增益自举o t a优化设计 那么量化噪声功率为 1 f o . 5 o。1 p qu a n “ 一 云 j- o 5 p (v )v d v0 - 0 .5 0一 1 2 a , ( 3 .3 0 ) 假设a d的 输入等效热噪声为谚 ( e q ) ， 则a d的 信噪比 为 s nr = p s i g n a a p q u a n t 二 。 ， + v ; ( e q ) 12 v 2 f 1 a 212+ v; (eq) ( 3 .3 1 ) 整个 1 0 b i 七 a d的输入等效噪声 v; (e。 一 1 24 al + 1 2b a2 + 二 、 扒 ( 3 .3 2 ) 假设v oz l , 嵘. . .v 2. 9 都相等， 则由 等比 数 列的 求和公式 可以 求得 ，(。 ) 、 1 23 al ( 3 .3 3 ) 从上面的公式可以看出整个a d的输入等效噪声主要由第一级的等效输 入噪声提供，所以只分析第一级的噪声。先求由于采样开关在输出端产生的噪 声( k t / c噪 声) 。 在 采 样时 刻，电 容c, c f , c ;。 上总 的 累 积噪 声 功 率 为 kt c 3 +c f +c an 电 容c e , c f , c a。 上 总 的 累 积 噪 声电 荷 为 ( 3 .3 4 ) 吼二k t ( c s 十 c f + c an )( 3 . 3 5 ) 当 处 于 余 量 放 大时 刻时 ， 总 的 噪 声电 荷 会 转 移 到 反 馈电 容q上， 此 时o t a的 输出噪声功率为 ( 3 .3 6 ) kt一险 - 吼一哪 - 2 这里q为反馈系数，其值为 。 =c l 认 十c f +认n ( 3 .3 7 ) 由 于o t a是全差分的， 所以v 森 。会扩大两倍 v 众 .-=2 kt ,l 几 ( 3 .3 8 ) 复旦大学硕士学位论文 v d a c p 图3 . 1 1 : 余量增益电路放大时刻噪声等效图 下面求由于o t a具有的等效输入热噪声引 起的输出噪声。图( 3 . 1 1 ) 为 余 量增益电路在放大时刻噪声等效电路图。 其中o t a等效输入热噪声功率谱为 v t. ( f ) 二 8 kt 3 9 - 1 ( 1 + 9 - 7 +夕 m 6 9 - 1 2 , 8 kt + ) = 几f 9 - 1 3 9 - 1 ( 3 .3 9 ) 这里o f 为噪声放大因 子 o f =1 + 9 -1 9 -7+夕 m 6 9 m1 +9 +竺 夕 -1 2 为了降低总的热噪声，可以降低 可以求得噪声传递函数为 ( 3 .4 0 ) 9 - 。 和9 - 1 2 ， 也即升高z d s a t 6 和v d s a t l 2 。由 图 a _ ( s )( 3 .4 1 ) 这里 w a 为 a ( s ) w . 1 +口 a ( s ) s +n w . o t a的开环单位增益频率 c l t为等效输出电容 9 ml w u =c l t 几t =2 矶十( 1 一 酌几十汤 ( 3 .4 2 ) ( 3 . 4 3 ) 输出噪声的功率可以表示为 f -。2 kt n t v a t. 一 j 0 ia - (s ) i v itn (f )d f 一 3 ( f3 c l t ) ( 3 . 4 4 ) 由于 o t a是全差分的，上式要增加一倍，所以 v ? . _ _ 4 k t n f- ( - - 1 3 ,0 姚t ( 3 .4 5 ) 墨全盖鱼鳌匡遂遍 水 线a 。 的 增 益 自 举o t a 优 化 设 计 所以 第一级总的输出噪声为 . o 1 = v o ri 9 v 1 +2v o ta = 2 k t 4 , kt n t , ， 二 二 丁 -十 二( =二 二- ， ) 户 匕 sj 、 口 ll t ( 3 .4 6 ) 由 公式( 3 .3 3 ) 可以 得到a d总的 输入等效热噪声功率为 v e 。 一 1 2v ol ( 3 .4 7 ) 这 里 让 a d 总 的 输 入 等 效 热 噪 声 电 压 为 ; l s b , 。 、 ， 。v . .+ t ff i * a c v t r 2 r1 r i% f 6 0 .7 d b 。一般取口 = 即约为 2 6 0 p v ，这时a d 0 .4 , n f =2 ,几，=3 . 5 吼， 通过计算求得c s 、 up( 摄氏 温度为1 2 5 度) 。 实际上0 . 1 p的电 容匹 配精度 达不到0 . 1 %，为了 使得匹配精度达到0 . 1 % ，取采样电 容和反馈电 容都为0 .知。 3 . 7 . 5 余量增益电 路建立时间 3 为了 使得d n l 0 . 5 l s b ， 余量增益电路的建立误差不能超过2 n= 0 . 1 % . c一、 以-c 但是由于电容的匹配精度为 12n 一 。 .1% ， 余 量 增 益 电 路 的 建 立 误 差 不能超过 b= 1 2n+ 1+ 1 =0 .0 5 % .由于 4 0 mh z的流水线 a d的采样时钟的频 率t s = 2 5 n s ， 扣除一定裕量，余量增益电路用来建立的时间大约为l l n s e v o u 华 v o u t n cs科弓cs v d a c p v d a c n 图 3 . 1 2 : 余量增益电路放大时刻电路图 图( 3 . 1 2 ) 为余量增益电 路工作于放大模式时电 路图。当 余量增益电 路 在时 钟如来到时，o t a同 相端和反相输之间的电 压最大值为 v d ( m ,a x ) =v r e r ( 3 .4 8 ) 2 0 复旦大学硕士学位论文 当o t a输出 端电 压变 化v s r ( m a x ) 后， o t a脱离 压摆区 v s r (m a x ) 一 q (v r ef 一 v ef f l) ( 3 .4 9 ) 这里k f f l 为 差分对管的 有效 栅压。 o t a处于 压摆区的 建立时间为 t a r ( m a x ) v s r ( m a x ) 1 s r o w . ( 3 . 5 0 ) o t a脱离压摆区后，信号进入小信号线性建立阶段，小信号线性建立的精度为 口l a n= 口( 3 . 5 1 ) 则信号线性建立的时间 “ 一耐n (o st. )o w .- 1， ， 2 口 环 。 ， 、 一 ， _-m 1 2 8 0 mh z ，采样电 容和反馈电容都 为。 .5 p , o t a的 尾电 流7 0 二8 0 0 p a o 增益自 举 o t a的设计主要分为两个部分的设计:主运放的设计和辅助运放 的设计。 1 . 主运放的设计 一般取输出级的 偏置电 流为尾电 流1 0 的一半，即h = 0 . 5 1 o = 4 0 0 p a o 一般取差分对管 m l , m 2和 c a s c o d e管 m 3 , m 4 , m 9 , m1 0的有效栅压都 为 0 . 1 5 v ，取其它管子 m 0 , m 5 , m 6 , m 7 , m 8 , ml l , m1 2的有效栅压都 为 0 . 2 v. 2 1 第三章 应用于高速流水线 a d的增益自举 o t a优化设计 根据公式 i 1w =; ; a c . . - , v f ; 求出主运放所有管子的宽长比。 乙 由于 c a s c o d e 管 m 3 , 管截止频率为 m 4 , m 9 , m 1 0是产生 o t a次极点的地方，而 m o s 介 二 2 t r c 9 s 3 p k f f 4 7 r l 2 ( 3 .5 5 ) 可以发现 m o s 管的截止频率同沟道长度平方成反比，所以m 3 , m 4 , m 9 , m 1 0 一般都取较小沟道长度，这里就取。 .4 p m , ，差分对管也取0 .4 p m。而其它管 子m 0 , m 5 . m 6 , m 7 , m 8 , m l l . m 1 2 沟 道 长 度 都 取0 .6 y m , 主运放管子的参数确定后，对主运放进行仿真，并微调参数确保主运放的 单位增益频率以及相位裕度满足设计要求。 2 . 辅助运放的设计 主运 放设 计 好后， 通过 仿真 得到求 得管子m 4 的马， =8 0 f , 所以 取辅 助 放 大 器a m p l 的 负 载电 容c l a = 5 c 9 . 4 = 4 0 0 f 。 为了 提 高 辅 助 放 大 器a m p l 的 次极点频率， m 1 7 , m 1 8 , m 1 9 都取最小沟道长度。 .3 5 p m， 它们的有效栅压都 取v f f =0 .2 v 。 根据以 上条件设计出 辅助放大器a m p l ， 使得其单位增益带宽 接近主运放的带宽，并且使得其相位裕度大于 5 0 度。 同 样取辅助放大器a m p 2 的负载电 容也为4 0 0 f ， 设计出的 辅助放大器a m p 2 的单位增益带宽接近主运放的带宽，并且使得其相位裕度大于 5 0 度。 3 . 9 仿真结果及分析 复旦大学硕士学位论文 a c p - . - 1 1 0 :o b 2 0 ( v f ( 7 v o u t ，) ) 7 0. 0 田3 0 . 6 ， 口 一1 0. 0 一5 0. 0 0. 00 菩一 1 0 0 一20 0 吓丁一 r丁一 川 班 一 书 雕 喇盯一一一 川m p汗 姗 姗 一一一一 !一11一一一一 川一寸 .附 阳 绷一 川一一一一 汗 姗服姗胭 川肛1 一 日 川脏 姗服 姗 汀川洲卞川 r 一11 日! 们 r丁i i i i i 川i i i i 日 1 1 匕二 1 ) 1 1 ( 1 1 (i i i i i u l一11 日1 n 仁二1 止日 工 m 一 干 姗r姗阳一 一 iii 一一 川平 r珊平 石 e ( v f , 一i犷洲i划 一1一一一一 一 川一1 11 1 1 一 1”1 1二 川川. 1; ; 1 : 1 厅 汀 一 r r r mr ,- - 1 厂- ii 川 们盯一尸 日 1 1 t 一 i i i ii下一1 r n 川1 1 日 11 户闪 洲 m一 一 一 一一1一一 一1一一一一一一洲卜 1 01 仍 日1 k1 0 k 1 0 0 k i m f -(h z) 1 0m1 0 0 m1 g1 0 g b : ( 3 4 2 s m -1 1 4 . 5 0 3 )s 1ap e-2 2 2 ， 日2 u 图 3 . 1 3 : 增益自 举 o t a b o d e 图 ( 仿真条件 t t) a c r e s p o n s e 60 d 8 2 0 ( v f ( 八wt n l)