（电力电子与电力传动专业论文）高速低压低功耗cmosbicmos运算放大器设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e l l ty e a r s ，m o r e 锄dm o r ee l e c t r o nw i t hb a t t e 搿s u p p l ya r cw i d e l yu s e d ， w t l i c hc r i e sf o ra d o p t i n gl o wv o l t a g ea l l a l o gc i r c u i t st or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n ， 1 0 wv o l t 明r e ，l o wp o w e ra i l a l o gc i r c u i td e s i g nt e c h n i q u c sa r eb c c o m i n gr c s e a r c h 脚o t i nt h ea n a l o gi c ，o n eo ft h et y p i c a lc i r c u i t si so p e r a t i o n a l 锄p l i f i 既t h e r e f o r e ， m ed e s i 辨o fl o w v o l t a g ea i l dl o w - v o l t a g eo p e r a t i o n a l 锄p l m e ri sv e 巧n e c e s s a 够 w h i l er e a l i z i n gl o w v o l t a g ea 1 1 dl o w p o w i tm u s tb en o t i c e df o rt h ei m p l 锄e n t i n g o ft h em a i n 如n c t i o no ft h ec i r c u i t b e c a u s et h el o ws u p p l yv 0 1 t a g ea 行e c t s p e r f o m l a n c e so fc i r c u i t s ，i ti sn o tv e f yg o o df o rj u s ti m p l e m c n t i n g1 0 w v o l t a g ea 1 1 d l o wp o w e rb u tn o ti m p l e m e n t i n gt h eg o o dp e r f o n n a n c e s t h et h e s i sh a dd o n et h ew i d e s p r e a di n v e s t i g a t i o na i l ds t u d yt ot h ed o m e s t i c 觚d f o r e i 盟st e c h n o l o 百e so fa j l a l o g y1 0 wv o l t a g ea n dl o wp o w a n da n a l y z c dm e p r i n c i p l e so fw o r k ，m e r t sa n ds h o n c o m i n g so ft h e s et e c h n 0 1 0 西e s ，b a s e do nm e a b s o r p t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e s ，i td e s i 辨e d a3 3 v1 0 wp o w e rr a i l t o r a i lc m o s o p e r a t i o n a l 锄p l i f i e r w h e nd e s i 印i n gi n p u ts t a g e ，i no r d e rt o1 0 wm ep o w e r c o n s u m p t i o na n ds t a b l et h eo u t p u tv 0 1 t a 星r eo fc o m m o nm o d e ，i tu s e dt h et r a d i t i o n a l d i f f 旨e n t i a li n p u tp a i ra n dd e s i 舀1 st h ec o m m o n m o d ev o l t a g ef e e d b a c kc i r c u i t i nm e b i a sc i r c u i td e s i g n ，m ec u r r e n tm i m rl o a dd i dn o tu s et h et r a 威t i o n a ls t a n d a r dc a s c a d e s t r u c t u r e ，b u tu s e dt h el o wv o l t a g e ，w i d e s w i n gc a s e c o d es t n j c t u r ew h i c hw a ss u i t a b l e t ow o r ki nl o wv o l t a g e w h e nd e s i g n i n go u t p u ts t a g e ，i no r d e rt oe n l l a n c et h e e 伍c i e n c y ，i tu s e dm ep u s h p u nc o m m o ns o u r c es t a g e 锄p l i f i e ra st h eo u t p u ts t a g e ， t h eo u t p u tv o l t a g es w i n gb a s i c a l l yr e a c h e dr a i l t o r a i l t h et h e s i su s e dt h em i l l c r c o m p e n s a t et e c l l i l 0 1 0 9 yw i t haa 由u s t i n gz e r or e s i s t a n c et oc o m p 饥鼢t et h e0 p e r a t i o n a l a m p l i f i e r t h ec i r c u i td e s i 蹲i sr e a l i z e di nc s m co 6 呻c m o st e c h n o j o g y 锄dh s p l c e s i m u l a t i o nr e s u l t so fc m o si n d i c a t em a ti tc o n s u m e so n l y9 6m wa n dt h ed e l a yt i m e i so n l y16 8n s ，a c h i e v e st h ed co p e ng a i no f8 3 7 8d b ，u n i t y g a i n 矗e q u e n c yo f5 2 8 m h z ，a i l dm ep h a s em a r 西no f7 6 0f o ra5 - p f 1 0 a dc a p a c i t a i l c e 锄da2 0k ql o a d r e s i s t a l l c e ，w 恤l et h es i m u l a t i o no fb i c m o sd e s i 龋c o n s 啪e s1o 2m wa 1 1 dm ed e l a y t i m ei so n l y16 ，8n s ，a c h i e v e st h ed co p e ng a i no f8 3 7 8d b ，t h eu i l i t y - g a i n 矗明u e n c y o f7 5m h za 1 1 dt h ep h a s em a r 西no f6 3 0w i mm es 锄el o a d a no fp r e d e f i n e l s p e c i f i c a t i o n sa r cs a t i s f i e dw i m t h es i m u l a 矗o nr c s u l t s k e yw o r d s ：h i 曲s p e e d ；l o wv o l t a g e ；l o wp o w e r ；a n a l o gi c ；r a i l t 0 一r a i l ； c m o s b i c m o so p 酬i o n a l 锄1 p l i f i e 岱 i i 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密一。 学位敝作者签名：奄蚤 导师虢盛之 签字日期：2 叼谲年石月7 1 日 签字f = 1 期：? 8 年6 月“日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：加8 年f 月n 日 。l 一 伽、 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的价值及其意义 在生物科学、空间技术、电池供电设备的研究与开发中，在各种高阻抗传感 器的应用中，经常需要集成电路( i c ) 在低电压和弱电流的条件下工作。采用低 电源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l c 芯片一直是电子工业的重要课题之一。 低压和微功耗不仅是这些电池驱动的便携式电子设备的需求，也是由于 c m o s 电路尺寸持续下降( d o w n s c a l i n g ) 而面临的问题，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 、 d 一 其是特征尺寸进入亚微米之后，设计方法和传统工艺设计有很大的区别，而我国 在此方面的关注和实力与国际先进水平相比存在着较大的差距。同时，随着 c m o s 工艺的发展，当前片上系统( s o c ) 的制备已经不再困难。单片s o c 中的 模拟电路不同于数字电路：一方面，为了达到指定的性能指标，不能应用最小的 器件尺寸进行设计；另一方面，电源电压的降低使传统模拟电路单元的性能大为 下降。为了适应低电压、低功耗运放的发展趋势，低电压、高功效、高性能的模 拟电路单元的设计在这几年中成为人们关注的问题。电源电压的降低对运放电路 的最大影响就是输入和输出信号的动态幅度大大减小。 上个世纪6 0 年代中期，第，一块运放i c 芯片“a 7 0 9 诞生。从此，运算放大器被 广泛地运用到几乎各种电子系统中，它们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电路、函数发生器、有源滤波器以及a d 、d ，a 转换器等电路中。最初将大部分运放电路设计成通用的模块，以适应各种不同场 合的应用要求。那时，人们企图设计的是同时具备极高的增益、很大的输入阻抗、 极低的输出阻抗、强驱动能力的高速“理想”运放i l 吲。 进入2 1 世纪以来，运放模块设计基于i c 的总体性能来确定运放的基本参数， 同时兼顾各个性能指标之间的折衷，例如功耗和速度的折衷等。因此，如今的运 放芯片多为专用的运放i c ，它们不强调芯片本身的通用性，形成诸如高速、高精 度、低压、低功耗的专用型运放i c 。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，使得运放的设计面临着更新、更复杂的课题。 江苏大学硕士学位论文 1 2国内外发展现状及发展趋势 德州仪器( t i ) 新推出的两款高精度运算放大器o p a 2 1 1 与o p a 8 2 7 主要是 针对高电压工业市场的，o p a 2 l l 与o p a 8 2 7 是采用t l 公司的b i c o m 3 h v 互补 双极型3 6v 硅锗工艺开发的首批产品，与业界同类3 6v 放大器相比，o p a 2 1 1 与o p a 8 2 7 均实现了超低噪声、低功耗、小封装尺寸以及高带宽等特性，适应于 测试测量、仪表、影像、医疗、音频与过程控制等场合。 o p a 2 1 1 是一款双极型输入运算放大器，仅需3 6i n a 电源电流即可实现1 1 n v 舷的超低电压噪声与8 0m h z 增益带宽( g b w ) 。该器件可提供l o oi i v 失 调电压、o 2p v o c 失调电压漂移以及不足1p s 的建立时间，非常适合驱动数据 采集系统中的高精度模数转换器。此外，o p a 2 1l 还支持轨对轨的输出幅度，从 而扩大了动态范围。 o p a 2 1 1 的工作电源电压范围为：2 2 5v 1 8v ，采用8 引脚超小外形封 装( m s o p 封装) 或8 焊盘双排平面无引脚封装( d f n 封装) 。其中3m m 3n h n d f n 封装面积仅为标准8 引脚小外形封装( s o 封装) 的三分之一。双极型运算 放大器在降低失调电压误差方面表现出色，非常适用于信号源阻抗较低的场合。 o p a 8 2 7 是一款结型场效应管( j f e t ) 运算放大器，具有较好的d c 精度与 a c 性能。d c 特性包括4 5n v 舷超低电压噪声、2 5 0 “v 失调电压、l 弘v o c 失调电压漂移。a c 参数包括1 8m h z 的g b w 、2 2v p s 的压摆率以及lk h z 频 率下o o 0 0 4 的电压谐波总畸变率( t h d ) 。 o p a 8 2 7 的工作电源电压范围为4v 1 8v ，电源电流仅为4 5m a 。该器 件采用8 引脚m s o p 封装，与8 引脚s o 封装相比占用面积减少了一半。j f e t 运算放大器实现了极低的偏置电流，非常适合于信号源阻抗较高的应用场合。 t i 为客户提供适用于高精度应用、工艺一流的信号链的解决方案，其中包 括a d s 8 5 0 5 等模数转换器以及d a c 8 81 1 等数模转换器。为了配合t it m s 3 2 0 高性能d s p 平台与m s p 4 3 0 超低功耗微控制器系列的协同工作，o p a 2 l l 和 o p a 8 2 7 专门进行了优化设计【】。 在国内，近年来如复旦大学、东南大学和西北大学等高校都在进行这一方面 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，但 2 江苏大学硕士学位论文 微功耗c m o s 运放的研究极具广阔的应用前景。因为低压、低功耗c m o s 运放 是模拟集成电路的基本单元，广泛应用于各种c m o sl c 系统中，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， 使其在国防空间领域也有积极的指导意义。因此，开展低压、低功耗c m o s 运 放的研究，在理论上为今后研发高速、微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。 论文研究工作重在理论的研究和实践，低压、低功耗c m o sr a i l t or a i l 运 放理论是片上系统s o c 、空自j 和生物高阻传感器等的基础。 论文探讨了在c s m co 6 睥1 工艺下设计具有较低功耗、满足r a i lt 0r a i l 全 摆幅的运算放大器的结构和方法。 1 3 低压低功耗运算放大器的基本问题 运算放大器发展的一个方向是低压低功耗，低电压运算放大器的设计适用于 运算放大器工作在电源电压在1 5v 的范围，这样的低电压低功耗要求对运算放 大器产生了深远的影响： ( 1 ) 由于电源电压的降低，信号的动态范围减小，同时，噪声信号幅度相 对增大，放大器的信噪比降低。 ( 2 ) 为了扩大信号的动态范围，低电压运放通常需要输入输出的信号范围 能达到全摆幅。 ( 3 ) 低功耗条件下，运算放大器的单位增益频率受到很大影响。尤其是在 负载电容不断减小时，偏置电流的降低将使得运放的单位增益带宽显著减小。 ( 4 ) 为了得到较大的直流电压增益，低电压运放需要串联较多的增益级， 这将使得运放得频率补偿变得复杂，同时频率补偿部分的电路也将不可避免的消 耗功耗。 1 4 论文的章节安排 论文的主要工作是针对前面所涉及的问题来设计低压低功耗高速放大器，按 照如下结构组织。 第一章是绪论。介绍了课题的价值和意义，国内外的发展状况，最后给出了 所设计的运放的预期性能指标。 第二章简要介绍了c m o s 器件的模型和工作特性，这是设计c m o s 模拟集 3 江苏大学硕士学位论文 成电路的基础。 第三章是c m o s 运算放大器的概述。先介绍了运算放大器的总体分析，各 参数的意义；而后介绍了放大器的各个部分的原理和特点，尤其是对当中的电流 源的设计给出详细方案。 第四章是运算放大器电路的仿真方法，给出了放大器仿真所用到的具体方 法，特别给出单端、双端放大器仿真电路的各个参数测量的具体图形。 第五章首先给出了电路的设计目标。然后给出了具体参数的性能分析，并给 出具体的电路设计方案，详细的参数计算过程。 第六章使用h s p i c e 进行了具体的仿真，比较得出的结果与设计要求的差距， 并进行了分析。 最后在结论中给出论文设计的绪论及成果，对文中所做的工作进行了总结。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章c m o s 器件模型与工作特性 本章将讨论低压、微功耗运放的设计原则。首先简要论述设计运放中使用的 m o s 器件的模型和参数；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分析讨论；最后讨论亚微米级设计相对于微米级设计方法的 差异和挑战。 2 1m o s 器件的原理及模型 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，设计工程师们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 可以较为精确地仿真数字电路的性能。而在模拟电路的设计中，晶体管的许多二 级效应直接影响到电路的性能，设计工程师要考虑更多的因素，如增益、噪声、 电压摆幅和线性度等。因此，深入了解器件的工作情况对模拟设计而言是非常有 益的陋1 。 2 1 1m o s f e t 的结构和大信号特性 结合所用的c s m c 的模型参数，下面扼要介绍m o s 场效应管的特性以及其 主要参数。图2 1 和图2 2 分别是n 沟增强型m o s 管的剖面图及其输出特性曲 图2 1小【 ) s 和强反型时垤o s 管剖面图 图2 2n m o s 管的卜z f 特性 线。低压运放的设计中主要涉及的电学特性就是栅一源电压，该电压决定了 c m o s 电路能正常工作的最小电源电压。其次是m o s 管的跨导g m = 甜d a s ， 因为跨导的大小确定了器件的栅一源电压。 1 强反型区s i ( s 缸o n gi n v e 璐i o n ) 当如s 时，器件表面形成反型层。根据漏一源电压的不同，器件可以 5 江苏大学硕士学位论文 工作在线性区( 也称可变电阻区) 或饱和区p ”j 。 ( 1 ) 线性区( 可变电阻区) 特性 当s 研h ，0 “g s u t h 时。 七：丢。c o x 孚( 一u t h ) 2 ( 1 + 砌嘴) 。d2 互n ( 一o x i 似g s u t h ) 【1 + 砌嘴) 忽略沟道长度调制效应的跨导 g m ：拿硝孚 咖g s l ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，n 表示n m o s 管的沟道表面迁移率( 锄? ) ，c r o x = f 。气。为栅氧化区 单位面积电容( f c i i l 2 ) ，形为有效沟道宽度，三是有效沟道长度，a 是沟道长度 调制系数( v 1 ) ，s 。是s i 0 2 的介电常数( f c m ) ，f o x 为栅氧化层厚度，= l 蠕 一所h 为过驱动电压。 在电路设计中，都是将器件偏置在饱和区，这样可以提供较大的跨导，较高 的输出电阻，从而提高电路的增益。可变电阻区主要的是用于可控电阻和开关器 件方面。在运放的设计中应尽量避免器件工作在可变电阻区。式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 中的( 1 + a ”d s ) 反映了沟道长度调制效应，在手工设计中因a 较小，可以忽略。 2 弱反型区w i ( w e a ki n v e r s i o n ，也称为亚阈值区) 弱反型区( w i ) 指栅一源电压低于阈值电压的工作区域。当“g s ( 3 4 ) 时，忽略e x p ( 一簧) 项，所以 小枷e x p ( 慧) e x p ( - 斧 ( 2 一) ，l 【u 式中表示m o s 管的宽长比( 耽) ，甜g b 、 s b 、“d b 分别表示栅极、源极、漏 极对衬底的电位；酞为热电压( 即后聊) ，常温下阢约为2 5m v ；_ ，l 为弱反型区 下的斜率因子，它是与衬底偏置调制系数有关的系数；称为特征电流，表示 m o s 管的宽长比为1 以及各电极对衬底电位为零时的漏极电流。 的表达式为： ，d 0 ：2 嘁。c ，盖( 孚) ( 2 5 ) 的典型值在2i 认到2 0 0l 认之间。 值得注意的是，由于漏极电流小于特征电流，弱反型下的有效栅源电压实际 上是一个负值。这也表明，m o s 管工作在弱反型下其栅源电压要低子强反型下， 从而更加适合在低电压设计中的使用。 弱反型层下m o s 管的跨导可表示为： g m2 最 q 吒) 从上式中可以看到，弱反型层下m o s 管的跨导只依赖于漏极电流。如果在 设计中为达到较好的高频性能，要求m o s 管有较大的跨导，则需增大管子的漏 极电流。然而，若漏极电流增加过大，m o s 器件将脱离弱反型区而进入强反型 区。虽然同时增加管子的宽长比可以将管子限制在弱反型区，但这种方法并不总 是有效，尤其是放大器带宽要求高时，因为增加器件尺寸将不可避免的增加m o s 管的寄生电容。 2 1 2m o s f e t 的小信号模型 利用大信号模型得到静态工作点后，可以利用小信号模型简化计算工作，如 图2 2 所示。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 7 江苏大学硕士学位论文 置点栅电压产生的增量，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f 0 1 ，图 g b c ，g d = 侥。+ 踟亭，o 申m b 确b 童牟g b 一 = 。i s d 图2 2m o s 器件小信号模豫一 2 2 列出了手工设计时的简化等效电路模型。 图中各参数定义如下：栅一衬底电容岛b 和源一衬底电容c s b ；c g b 、c g s 、栅 一漏电容c g 。；饱和区跨导g m ：善 ；。c o 。孚( “g 。一坼h ) ；令：。c o x 孚， 瑚g s ll 踟可以表示为： g m = 夕似6 s u t h ) = 2 肛d ( 2 8 ) 输出电阻，0 为： 矗：上 ( 2 9 ) 5 一 z y ， 朋d 在简化的手工分析中，可以使用近似表达式： f d = g m “g s ( 2 一l o ) 2 2 阈值电压 m o s 管为四端器件，若衬底与源极问电压“b s 为零时，则其阂值电压为研h n o ( 或坼h p o ) 。若掰b s 0 时，则衬一源电压l b s 对它的闽值电压影响很小，称此 为衬偏效应，阈值电压的表达式为【2 1 2 3 】： u 硎= u 珊+ ( | 一妒一甜醛i 一；一纠) ( 2 1 1 ) 在电路设计中，若”b s o 时，则应考虑衬偏效应对电路性能的影响。 8 江苏大学硕士学位论文 由于p m o s 模型均可在n m o s 模型中找到完全对应的结论，下文涉及到 p m o s 管的设计时只直接参考n m o s 的相关公式。 2 3 小结 在采用c m o s 技术设计i c 之前，首先必须具有能够描述设计中所要使用的 元器件性能的模型。c m o s 器件常用的有3 种模型，本章主要介绍了c m o s 器 件的最简单的s p l c el e v e ll 模型及其工作特性，这是设计c m o s 模拟i c 的 基础，下面将进行c m o s 运算放大器的设计。 9 江苏大学硕士学位论文 第三章c m o s 运放的基本单元分析 本章详细讨论高速、微功耗c m o s 运放的设计。首先，研究进行轨对轨输 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。 3 1 运算放大器电路的总体分析 正如图3 1 所示【2 4 1 ，、c m o s 运算放大器主要由差分跨导级、高增益级、轨 图3 1 运放的框图 对轨输出级、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。根据本次设计的关注点是高速和微功耗，下面具 体就各部分电路进行分析与设计。 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，提高信噪比，要求输出摆幅能达到轨对轨的范卧2 5 2 8 】； 对于某些更高的要求，会提出共模输入电平也要实现轨对轨的范围。 ( 2 ) 为了达到高增益，需要采用共源一共栅运放结构，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，而第二级提供轨对轨的输出摆幅。这 样的两级结构可以兼顾增益和输出摆幅的要求。一般很少使用多于两级的运放结 构，因为那样很难保证系统的稳定性【2 2 1 。 ( 3 ) 为了使运放能够达到更低功耗的目的，第一级的电路选用共源一共栅运 放( f o l dc 鹤c a d eo p 酬i o n a l 锄1 p l i 6 e r ) ，折叠式器件一般比套筒式消耗更大的功 耗3 3 3 5 1 。另外，套筒式结构也实现了设计要求( 1 ) 中对共模输入电平的要求。 ( 4 ) 两级结构需要采用频率补偿技术来保证系统的稳定，因此补偿电路是 必不可少的1 3 6 】。 l o 江苏大学硕士学位论文 最后得到的运放总体结构为两级套筒共源一共栅轨对轨输出运算放大器。 3 2 运算放大器差分输入级的分析 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 模信号进行放大，而对共模信号有抑制作用，具有很强的抗干扰能力，并具有温 度漂移小、级间易直接耦合等优点。为了提高运放的电压增益，多采用差动共源 一共栅电路，此外由于共源一共栅电路的密勒电容效应比较小，所以有利于改善运 放的频率特性。一般来说，有共源一共栅运放和折叠式共源一共栅运放。j 下如前面 所讨论的一样，本次设计考虑采用“套筒式”共源一共栅输入级。 3 2 1 折叠式共源一共栅( f o l d e d - c a s c o d e ) 差动级 图3 2 是折叠式共源一共栅运放的电路结构【3 7 】。图中，输入差分对采用p m o s 图3 2 折叠式共源一共栅运放电路 器件，由m l l 提供输入差分对的偏置电流，m 3 、m 4 供给共源共栅管偏置电流。 m 5 、m 6 形成共源一共栅输入级。p m o s 器件的负载也采用共源一共栅结构，这样 可以进一步提高运放的增益。整个运放设计成单端输出，减少了全差分输出需要 的共模反馈电路，m 7 、m 9 形成的共源一共栅电流镜，把差动电流转换成单端输 出电压，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 时将对此类结构进行详细的讨论。 先分析电路的最大输出电压摆幅。适当选取偏置电压，且m 7 、m 9 采用高摆 江苏大学硕士学位论文 幅c 鹤c o d e 电流镜低压结构，m 8 、m l o 只需要2 的d ( 过驱动电压) 就可以保持在 饱和工作区，那么运放的最大输出摆幅是： 的州m a x ) = d 一2 i “o d i ( 3 一1 ) 为了得到最小的输出电压，如果偏置合适，m 4 、m 6 也需要2 的d ，即运放的 最小输出摆幅为： 的州m i n ) = 2 陋o d i ( 3 2 ) 因此，折叠式共源一共栅运放的输出摆幅范围是： 2 i 的d l 5 0 m h k 一 相位裕度( p h a s em a 哂n ) 6 0 。 转换速率( s l e wr a t e ) 2 0 0v p s 共模电平( c o m m o n m o d ev 0 l t a g e )1 5 v ( d = 3 3 v ) 功耗( p o w e rd i s s i p a t i o n ) 1 2 m w 单端输出摆幅( o u t p u ts w i n g ) 3 3v 5 1 2 运放的结构选择 运算放大器的的结构主要有三种：( a ) 简单两级运放，t 、) l ，o s t a g e ；( b ) 折 叠式共源一共栅，f o l d e d c a s c o d e ；( c ) 共源一共栅，t e l e s c o p i c 。该运算放大器的 设计指标要求差分输出摆幅约为3 3v 。对于单级的折叠共源一共栅和直接共源一 共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此采用两级运算放大器结构。另外，简 单的两级运放的直流增益比较小，因此采用共源一共栅的输入级结构。为减小功 耗，考虑到折叠共源一共栅输入级结构的功耗比较大，故选择直接共源一共栅的输 入级，共源的输出级的结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，这里 m i l l e r 补偿或者c a s c o d e 补偿技术用来进行零极点补偿。 为了有效的利用功率，特别是在微功耗电路中，一个输出级应该是具有很低 的静态电流和最大的输出电流。c l a s s b 输出级的静态电流几乎是零，而输出电 流可以达到最大。输出级的效率定义为平均输出信号功率除以电源消耗的平均总 功率。利用该定义，可以计算出j 下弦信号下轨至轨c l 弱s - b 输出级的效率约为 7 5 。但是c 勰s b 级会引入大的交越失真。为了解决这一问题，可以借鉴 c l a s s a 级的特点，将器件设置合适的放大偏置，使器件的导通角大于1 8 0 0 ，这 江苏大学硕士学位论文 样形成的输出级称为c l 器s a b 输出级。其失真小于c l a s s b ，效率高于c l a s s b 。 在轨至轨输出级中，保持输出对管的栅极之间电位差的恒定，可以实现c l a s s a b 输出级。图5 1 是其原理图。 m l o 幽5 1 共源一共栅两级运算放人器 5 2 性能指标分析 5 2 1 差分直流增益彳d l t i 该运算放大器存在两级：( 1 ) c a l s c o d e 级增大直流增益( m i m 8 ) ； ( 2 ) 共源放大器和c l a s s a b 输出级( m 旷m 1 2 ，m 2 l m 2 4 ) 第一级增益 么l = 一g m l 凰l = 一踟l ，0 1 肺r 0 5 7 ) = 一g m i 崩t 1 3 9 l l l 5 5g o l9 0 3 + g l l l 3 舒5 9 0 7 ) ( 5 一1 ) 第二级增益 彳2 = 一g 1 。1 1 2 尺0 2 = 一细( 细，0 1 1 ) = 一舒n 9 ( 9 0 9 + g o l l ) ( 5 2 ) 整个运算放大器的增益： 爿o v 嘲h = 么i 么2 2 g m l 舳g | 1 1 5g m 9 【值t 1 5g o l9 0 3 + 釉踟59 0 7 ) q o 矿g o l i ) 1 0 4 ( 8 0 d b ) ( 5 3 ) 5 2 2 差分压摆率 转换速率艘( s l c wr a t e ) 是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。以 江苏大学硕士学位论文 下定义出运放的转换速率艘。输入级： 艘= 鲁i 眦- 警= 等 仔4 ) 由于单位增益带宽哦= g 。c c ，可以得到q = g m 。国。，所以： 艘= 孕= 缝：每监砒m 缈。 ( 5 - 5 ) qg m 。型堕”酎n “ 。 甜e m 其中甜栅= k g 。l - l u m l = 一因此，提高西级运箕放大器转换速率韵一种方