（电路与系统专业论文）应用于流水线adc中的全差分运算放大器.pdf

摘要 摘要 自从上个世纪五十年代集成电路诞生以来，在过去的几十年中集成电路都以 惊人的速度不断发展着，经历了理论基础、电路结构以及制造工艺的巨大变革， 如今集成电路已经深入应用到人们生活中的方方面面。 运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、 乘、除的运算，但是发展到今天，运算放大器已经成为模拟集成电路中应用最广 泛的模块之一，广泛应用于各种模拟电路和数模混合电路中。在发展的过程中， 运算放大器的设计由开始的通用型转向定制型，针对不同的应用环境，设计出具 有相应特点的运算放大器。论文对高压摆率的b i c m o s 全差分运算放大器的电路 结构、性能指标及测试指标进行了讨论，并且在传统运算放大器的电路结构基础 上，针对应用在流水式模数转换器( p i p e l i n ea d c ) 中，设计了一种b i c m o s 全差分 运算放大器，提升了应用环境中有更高要求的压摆率、开环直流增益以及单位增 益带宽等技术指标。 论文中首先分析了运算放大器的各种指标，并对几种经典的运算放大器结构 进行了分析和对比。然后针对电路的应用环境设计了一种高压摆率b i c m o s 全差 分运算放大器。在电路的设计过程中，实现了对折叠式共源共栅全差分运算放大 器的开环直流增益、单位增益带宽以及压摆率这几项性能指标的改善。 论文中运算放大器的设计是在c a d e n c e 软件环境下，基于0 6 i t m b i c m o s 工艺 模型，使用s p e c t u r e 进行仿真的。该b i c m o s 全差分运算放大器在常温( 2 7 摄氏 度) 、5 v 电源电压及典型工艺模型下，开环直流增益为1 0 1 5 9 d b ，单位增益带宽 为3 1 1 9 m h z ，相位裕度为6 3 1 0 ，压摆率为1 3 7 9 5v i t s ，功耗为2 7 3 5 m 形。此运 算放大器电路采用o 61 a m b i c m o s4 层金属布线工艺，设计实现的整体运算放大器 的版图面积为3 8 0 u m 3 2 6 u m 。 结果表明，所设计的b i c m o s 全差分运算放大器满足预期设定的性能指标， 该电路已成功应用在1 2 位1 0 m h zp i p e l i n e a d c 中余量增益放大器( m d a c ) 中。 关键词：全差分运算放大器，b i c m o s ，高压摆率，模数转换 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c ei n t e g r a t e dc i r c u i t sw e r ei n v e n t e di nt h ef i f t i e so fl a s t c e n t u r y , i n t e g r a t e d c i r c u i t sa r ed e v e l o p e dw i t ha m a z i n gs p e e dt h r o u g h o u tt h ep a s tf e wd e c a d e s t h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s su n d e r g o e sg r e a t c h a n g e s ，a n dn o wi n t e g r a t e dc i r c u i t sh a v ei n - d e p t ha p p l i c a t i o ni ne v e r ya s p e c to f p e o p l e sl i v e s o p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sd e s i g n e df o rc o n v e r t i n ga n a l o gv o l t a g et od i g i t a ls i g n a l a n df i n i s h i n go p e r a t i o ns u c ha s a d d ，s u b t r a c t ，m u l t i p l ya n dd i v i d ei n i t i a l l y b u ti t b e c o m e st h em o s tp o p u l a rm o d u l ei na n a l o gi cd e s i g na n di s w i d e l yu s e di nm a n y a n a l o gs y s t e m se s p e c i a l l ym i x e d s i g n a ls y s t e m st o d a y i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h e d e s i g no fo p 。a m pi sc h a n g e df r o mt h eb e g i n n i n go ft h eg e n e r a lt y p et oc u s t o m m a d ef o r d i f f e r e n t a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec i r c u i t s 仃u c t u r e p e r f o r m a n c ea n dt e s tm e t h o do ft h ef u l l yd i f f e r e n t i a lo p a m pw h i c hh a sh i g hs l e wr a t e o nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a lf u l l yd i f f e r e n t i a lo p a m p an e wb i c m o s d i f f e r e n t i a lo p a m p i sd e s i g n e do u tf o rh i g h e ro p e n l o o pd c g a i n ，u n i tg a i nb a n d w i d t ha n ds l e wr a t ew h i c h i sm o r es u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o ni np i p e l i n ea d c t h e p a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h em a i ni n d i c a t o r so fo p a m p ，a n daf e wc l a s s i co p a l t l d s t r u c t u r e s a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dt h e nab i c m o sd i f f e r e n t i a lo d a m pi s d e s i g n e df o ra p p l i c a t i o ni np i p e l i n ea d c i nt h ec i r c u i td e s i g np r o c e s s 。t h ed e s i g n e d o p 。a m pa c h i e v e sb e t t e ro p e n l o o pd cg a i n ，u n i t y - g a i nb a n d w i d t ha n ds l e wr a t e c o m p a r et of o l d e dc a s c o d ef u l l yd i f f e r e n t i a lo p a m p b a s e do n0 6 肛mb i c m o sp r o c e s sm o d e l ，o p a m p d e s i g n e d i nt h ep a p e ri s s i m u l a t e db yt h et o o l so fs p e c t u r e ，i nt h ec a d e n c e s o f t w a r ee n v i r o n m e n t i nt h en o n n a l e n v i r o n m e n t ，t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rh a sd cg a i no f101 5 9 d b ，u n i t y g a i nb a n d w i t h o f3 1 1 9 m h z ，p h a s em a r g i no f6 3 1 0 ，s l e wr a t eo f1 3 7 9 5v t sw i t hc o n s u m i n 2o n l v 2 7 3 5 m 形t h ea r e ao f t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri s3 8 0 u m 3 2 6 u m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e db i c m o sf u l l yd i f f e r e n t i a lo p 锄p s a t i s f yt h ee x p e c t e ds e to fp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，a n dt h ec i r c u i th a sb e e ns u c c e s s 龟l l v i i a b s t r a c t a p p l i e di n12 - b i tlo m h zp i p e l i n ea d c i nt h em d a c s w i t c h e d - c a p a c i t o ra m p l i f i e r k e y w o r d s ：f u l l yd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e r , b i c m o s ，h i g hs l e wr a t e ，a d c i 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：地日期：2 。氏年岁月1f 日 论文使用授权 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) 签名： 磅龟l 、 j 导师签名：单肇7 l 日期： 为7 0 年3 月z 箩日 第一章引言 1 1研究背景及意义 第一章引言帚一早jli 近几十年来，半导体集成电路产品已经广泛的应用到各个领域之中，极大的 影响和改善着人们的生活。如今半导体行业的年销售额已经达到6 0 0 0 - 8 0 0 0 亿美 元，足够支持一个4 5 万亿美元的电子装备市场，已经成为国民经济中一个重要 的组成部分，同时集成电路的技术水平也成为一个国家综合国力的重要标志之一。 自从1 9 5 9 年世界上第一块集成电路在美国德州仪器公司诞生以来，在过去的 五十多年中一直以惊人的速度发展着，已经发生了天翻地覆的变化。在集成度方 面，已经完成了小规模( s s i ) 、中规模( m s i ) 以及大规模( l s i ) 的发展过程， 目前已经进入了超大规模( v l s i ) 和甚大规模集成电路( u l s i ) 阶段。在制造 工艺方面，也完成了亚微米，深亚微米以及超深亚微米的一次次技术突破，目前 已经进入到纳米级的技术阶段j 。 随着微电子技术的高速发展，虽然各种集成电路应用领域中数字化程度不断 加深，并且许多模拟集成电路实现的系统已经可以由数字集成电路替代，但是我 们所处的自然环境是一个连续的模拟环境，来自自然环境的信号大部分都是连续 的模拟信号，因此模拟集成电路至今仍然是现代集成电路系统中不可或缺的重要 部分。 随着集成电路产品广泛的应用到民用领域和军事领域的各个方面，人们对集 成电路的性能要求也不断提高，因此作为模拟集成电路中最重要的基本电路单元 之一，运算放大器的性能成为模拟集成电路性能的重要影响因素，甚至成为制约 系统性能的瓶颈。因此认真研究运算放大器的电路结构，不断改善各项性能，设 计出更加出色的运算放大器对提升模拟集成电路的系统性能具有重大的意义。 1 2运算放大器的发展及应用 运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来实现加、减、 电子科技大学硕士学位论文 乘、除的运算，如今已经是构成开关电容滤波器、信号放大器和输入输出缓冲器 等模拟电路的基本模块，在模拟运算、信号处理、模数和数模转换器等许多方面 有广泛的应用，成为模拟集成电路中一个最重要的电路单元。上个世纪六十年代 晚期，美国仙童半导体( f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r ) 推出了第一个被广泛使用的集 成电路运算放大器，型号为p a 7 0 9 ，设计者则是鲍伯韦勒( b o bw i d l a r ) 。但 是p a 7 0 9 很快地被随后而来的新产品t a 7 4 1 取代，a 7 4 1 有着更好的效能、更为 稳定以及更容易使用。z a 7 4 1 运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无 二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍 然在生产t a 7 4 1 。上个世纪八十年代，模拟集成电路的设计师们试图设计出一种 完美的运算放大器，例如，具有非常高的开环直流电压增益( 1 0 5 ) ，非常高的输 入阻抗以及非常低的输出阻抗，但是这种设计往往是牺牲其它性能为代价的，例 如速度、输出摆幅和功耗。与此相反，今天的运算放大器设计，从开始就认识到 各个性能指标之间的平衡关系，根据不同的应用特点，设计不同特点的运算放大 器以满足系统的要求。 运算放大器发展至今，根据不同的应用环境主要分为通用型、低温漂型、高 速型以及低功耗型几种类型。其中通用型运算放大器以通用性为设计目的，其性能 指标能够满足一般性应用环境，应用最为广泛；低温漂运算放大器以减小电路的 失调电压随温度的变化为设计目的，主要应用于弱信号检测以及精密仪器等多数 自动控制仪表中：高速运算放大器以增加单位增益带宽和压摆率( s l e wr a t e ) 为 设计目的，主要应用于视频放大器以及a d 和d a 转换器等模拟器件中；低功耗 运算放大器以减小电路的功耗为设计目的，主要应用于手机、p d a 等以电池供电 的便携式电子产品。 如今在运放的结构选取上，集成电路设计师更倾向于全差分结构的运放，因 为相比于单端的运放，全差分运放有更大的优势。首先得益于采用差分信号的方 式，全差分结构的运放对噪声有更好的抑制和更大的输出摆幅；其次全差分运放 可以抵消偶次谐波失真，从而提高线性度；在结构上，单端运放比全差分运放会 多出一个镜像极点，从而会限制反馈系统的速度。因此近年来全差分运算放大器 成为研究的热点，国内外都对高性能全差分运算放大器展开了极其广泛的研究。 2 第一章引言 1 3国内外研究动态 国际上各著名大学，实验室和集成电路设计公司对高性能全差分运算放大器 展开了极其广泛的研究。在p y w u 和v s l c h e u n g 等人于2 0 0 7 发表的论文中， 所设计的全差分运放采用0 1 8 9 m b i c m o s 的工艺和l v 的电源电压，达到了7 0 d b 的开环直流增益，9 0 0 m h z 的单位增益带宽，7 2 0 的相位裕度以及3 5 m w 的功耗【2 j 。 在k s l e e ，s k w o n 和f m a l o b e r t i 于2 0 0 7 年发表的论文中，所设计的全差分运 放采用0 1 8 i ，t m b i c m o s 的工艺和1 8 v 的电源电压，达到了7 4 d b 的开环直流增益， 4 5 0 m h z 的单位增益带宽，7 2 0 的相位裕度以及1 9 m w 的功耗【3 j 。在r i d as a s s a a d 和j o s es i l v a m a r t i n e z 发表的论文中，所设计的全差分运放采用0 1 8 9 m b i c m o s 的 工艺和1 2 v 的电源电压，达到了5 0 9 d b 的开环直流增益，4 8 9 8 m h z 的单位增益 带宽，7 7 2 。的相位裕度以及0 6 6 m w 的功耗【4 】。2 0 0 5 年，美国国家半导体公司 ( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ) 推出的两款高速度、低失真的全差分运算放大 器l m h 6 5 5 0 及l m h 6 5 5 1 都采用全面差分电压反馈的电路设计，采用+ 5 v 或 + 一5 v 的电源电压供电，无杂散信号动态范围可达一8 6 d b c ，带宽则高达4 0 0 m h z 。 在国内，很多高校和研究所都在进行全差分运算放大器方面的研究，2 0 0 4 年， 中国科学院微电子研究所w a n gj i n 和q i uy u l i n 在i e e e 上发表论文，论文中设计 的运算放大器采用o 3 5 k t mc m o s 工艺，在2 p f 的负载下单位增益带宽为 1 6 1m h z ，开环直流增益为1 2 9 d b ，建立时间为2 3 5 n s ，相位裕度为7 0 4 0 ，功耗 为3 8 9 m w t 5 1 。2 0 0 9 年复旦大学翁迪等人设计出采用0 1 8 9 m c m o s 工艺的高性能 低功耗两级全差分运算放大器，应用于1 4 位3 2 5 m h z 流水线模数转换器的采样保 持电路中，功耗为6 3 m w ，开环直流增益为1 2 5 d b ，压摆率约2 0 0v g 6 | 。2 0 0 9 年 东南大学射频与光电集成电路研究所张蕾等人采用0 1 8 肛m c m o s 工艺设计的低电 压高增益带宽c m o s 折叠式共源共栅运算放大器，开环直流增益为6 2 1 d b ，单位 增益带宽为9 1 9 m h z ，相位裕度为5 4 5 0 ，正压摆率为+ s r = 2 5 6 v g s 负压摆率为 s r = 2 5 3 v i t s t 7 1 。 综上所述，国际上关于全差分运算放大器的研究、设计和生产已经进入了一 个较为成熟的阶段，但国内在这方面的发展还比较缓慢，与国际水平有较大差距， 明显不能满足日益增长的市场需求。因此，加强包括新型结构和设计理论的基础 技术研究已是当务之急，并具有现实而深远的意义。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 4发展趋势 近年来消费电子、计算机、通讯等应用领域的高速发展为全差分运算放大器 提供了活跃的舞台，同时也对其提出了更高的技术要求。 个人移动通讯和笔记本电脑等移动终端设备提出了低电压和低功耗要求，因 此低电压和低功耗全差分运放就成为当前研究的热点之一。随着电源电压降低， m o s 晶体管的阈值电压与电源电压相比，将会是一个较大的值，而低阈值电压工 艺具有相当多的缺点。因此，对实现低压低功耗的研究主要集中在发展标准c m o s 工艺下新的电路拓扑结构，使其在较低的电源电压下能达到较好的性能。工作电 压的不断下降将导致运放的共模输入范围和动态输出幅度变得越来越小，最终致 使整个器件不能正常工作，为了使模拟电路在较低的电源电压下具有与数字电路 部分相同的信噪比，常需要全差分运放具有轨至轨的输入输出能力，即输入共模 电压和输出共模电压都能达到电源供电电平。为达到此目的，典型的方法就是采 用电流镜技术，使偏置电流的大小随输入共模电压变化而变化，从而在输入端实 现恒定跨导g 。输入。 但是随着各种电子信息技术的不断发展，对a d 转换器速度和精度要求越来 越高，单级共源共栅结构由于m o s 晶体管自身增益的限制，使得整个单级全差分 运放的增益不可能达到太高。因此，为了达到较高的增益，可以采用两级或多级 结构级联，但是采用两级或多级结构将会大大降低运放的速度，在速度要求较快 的情况下通常不太适用，由此就发展了在不增加更多的共源共栅器件的同时增加 输出阻抗的增益自举技术。目前常见的全差分运放有简单的全差分结构、套筒式 共源共栅结构和折叠式共源共栅结构等。简单的全差分结构具有较大的输出摆幅， 但幅频特性很差，增益较小，精度受到限制，功耗较大，电源抑制比( p s r r ) 和共 模抑制比( c m r r ) 差；套筒式共源共栅结构带宽很宽，速度很快，增益较大，噪声 较小，且在各种放大器结构中功耗最低【8 】【9 】，但最大的缺点是信号的共模输入范围 和输出摆幅太小，并且不能将输入和输出短路连接；相对套筒式结构而言，折叠 式共源共栅结构具有较大的输出摆幅，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，但其输入和输出可以短接，共 模电平更易确定uu j 1 1 o 4 第一章引言 1 5 课题的应用背景 论文中设计的全差分运算放大器是应用于1 2 位1 0 m h zp i p e l i n e a d c 中的余量 增益放大器( m d a c ) 中，p i p e l i n e a d c 结构的示意图如图1 1 所示，图中用圈标 记的部分中，除去s u b a d c 以外的部分就是余量增益放大器。 图1 1 流水线a d c 的结构不意图 流水线a d c 结构由1 1 级流水线构成，每一级都包含采样保持电路、低分辨率 的子模数转换器、子数模转换器电路和余量放大电路( 最后一部分没有d a c ) 。电 路工作时，前一级采样保持电路采集的样本信号送入与其配套的子模数转换器变 为k 位二进制数字信号，另一路送入减法器与相应子数模转换电路的输出信号相减， 其结果经过放大后送入下一级采样保持电路，接着实现与前一级相同的运算与变 换过程。最后，由数字误差校正电路对每部分子模数转换器输出的数字信号统一进 行校正，并最终输出1 1 位二进制代码信号。 1 6 主要工作及论文的组织结构 在论文工作期间，作者查阅了大量有关全差分运算放大器方面的资料，较系 统地研究了各种全差分运算放大器的结构和性能，并针对1 2 位1 0 m h zp i p e l i n e a d c 中的m d a c 开关电容放大器的设计要求，采用o 6 1 t m b i c m o s 工艺设计完成 了一个5 v 电源电压供电的b i c m o s 全差分运算放大器。所设计的b i c m o s 全差 分运算放大器已经完成电路版图设计并进行流片。 基于设计的应用要求，在功耗、高速和高精度三个方面做了细致的研究工作， 5 电子科技大学硕士学位论文 主要有以下几个方面： ( 1 ) 研究并比较了全差分运算放大器的多种经典结构，对这些经典的电路结构进行 分析和比较，选择适合本次设计的基本电路结构。 ( 2 ) 从功耗、高速、高精度以及稳定性方面综合考虑，在传统的折叠式单级共源共 栅全差运算放大器的基础上，采用新型电路结构改进开环直流增益、单位增益 带宽、相位裕度以及压摆率等几项性能指标。 本论文中所设计的全差分运算放大器要达到的性能指标如表1 1 所示。 表1 1 运算放大器的设计指标 电源电压5y 开环直流增益 9 0 d b 单位增益带宽 2 5 0 m h z 压摆率 6 0 0 v g s 相位裕度 6 0 。 功耗 3 0 m 形 论文的组织结构如下 第二章介绍了运算放大器的主要性能指标； 第三章介绍了常用的几种全差分运算放大器以及它们之间的性能对比； 第四章介绍了论文中所用全差分运算放大器的电路结构以及详细的理论分 析； 第五章介绍了运放的仿真方法、仿真结果和仿真结果的分析； 第六章是论文的总结，对完成的工作进行了一个总结。 6 第二章运算放大器的性能指标 第二章运算放大器的性能指标 运算放大器( 简称运放) 是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整的模 块。大量具有不同复杂程度的运放被应用来实现各种功能：从直流偏置的产生到 高速放大和滤波。伴随着每一代集成电路制造工艺的发展，由于电源电压和晶体 管沟道长度的不断减小，为运放的设计不断提出复杂的课题。 本章将介绍衡量一个运放性能好坏的各种性能参数，包括开环直流增益、单 位增益带宽、相位裕度、噪声、压摆率、输入电阻、输出电阻、输出摆幅和功耗 等。 2 1开环直流增益和单位增益带宽 可以将运放粗略的定义为“高增益的差动放大器 。所谓“高”，指的是对 应用环境来说其增益要足够高，通常的增益范围在1 0 1 1 0 5 。由于运放一般用来实 现一个反馈系统，所以其开环直流增益的大小需要根据闭环电路的精度要求来选 取。同时在运放的应用电路中，电路的线性特性也与运放的开环增益有着密切的 联系，要更好的抑制非线性也需要更高的开环增益【l 2 【l 3 1 。 运放开环直流增益( o p e n l o o p d cg a i n ) 是指在开环状态以及标称电源电 压和额定负载电阻下，工作频率接近直流时，对输入差模信号的电压放大倍数。 运放的开环增益是一个频率的函数，如下图所示。 图2 - 1 增益随频率下降 7 电子科技大学硕士学位论文 从上图中可以看出，当工作频率增加时，开环增益开始下降，于是在反馈系 统中就会产生更大的误差，因此了解运放的单位增益带宽是必要的。单位增益带 宽( u n i tg a i nb a n d w i d t h ) 通常被定义为单位增益处的频率z ，同时为了更容易 预测闭环频率特性，也可以规定3 d b 频率石拈( 开环增益减小到低于开环直流增 益3 d b 时的频率) 。 2 2相位裕度 通常情况下运算放大器总是工作在反馈的状态，然而反馈系统存在潜在的不 稳定性，即可能会震荡。因此在设计运放时，系统的稳定性成为不得不考虑的因 素【1 4 】。 x ( s )y ( s ) 图2 - 2 基本负反馈系统 图2 - 2 中的闭环传输函数为： 扣= 高 亿， 在上式中如果p h ( s ) = 一1 ，增益就会趋于无限大，电路就会发生震荡，系统 是不稳定的。为了保证反馈系统的稳定性，必须减小总的相移量，使得当if l h ( s ) | _ 1 时，z p h ( s ) 大于一1 8 0 0 。 图2 - 3 幅频曲线示例 8 第二章运算放大器的性能指标 在上图中，环路增益的幅值等于1 和使环路增益的相位等于1 8 0 。的两个频率 在稳定性方面起着重要作用，分别称这两个频率点为增益交点和相位交点。在稳 定系统中，增益交点必定发生在相位交点之前。如果减小反馈系数，图2 3 中的 幅值曲线会往下平移，从而带动增益交点向原点移动，反馈系统会更加稳定，因 此最坏的情况发生在= 1 时。 为了直观的判断运放是否能使反馈系统稳定，于是定义了相位裕度 ( p h a s em a r g i no 相位裕度定义为p m = l8 0 。+ z p z 4 ( c o = c 0 1 ) ，其中国是增益交点的 频率。试验证明，为了保证负反馈系统的稳定性，运放的相位裕度应该不小于6 0 0 。 2 3噪声 电路中的噪声会限制一个电路能够正确处理的最小信号，因此在运放的设计 中，噪声也是一个必须要考虑的问题。在运放中主要存在三种噪声：热噪声、闪 烁噪声和散粒噪声。 2 3 1 热噪声 热噪声是由导体内部载流子( 电子或空穴) 的随机运动产生的，并且与流经导 体的电流大小无关，存在于所有温度高于绝对零度的导体中。因此热噪声与绝对 温度成正比，并限制了电路能够达到的最小噪声水平。 电阻的热噪声 电阻中的热噪声可以等效为一个与理想电阻串联的电压源，或与理想电阻并 联的电流源，如图2 4 所示。 图2 4 中 r ( 无噪声) 2 ( 厂) r ( 无噪声 图2 - 4电阻的热噪声模型 2 ( 厂) = 4 k t r 9 i r 2 ( 厂) ( 2 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 一1 9 2 ( f ) = 警 ( 2 3 ) 式中r 为电阻阻值，k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度。 m o s 晶体管的热噪声 m o s 晶体管中的热噪声主要来源于沟道的电阻，其热噪声模型可以等效为一 个与理想的无噪声m o s 晶体管并联的电流源，如图2 - 5 所示。 i ? l n 图2 - 5m o s 晶体管的热噪声模型 当m o s 晶体管工作在线性区时，厶2 ( 厂) = ( 4 k r ) r , 妇，其中么是沟道的等效电 阻。但是当m o s 晶体管工作在饱和区时，沟道不能认为是均匀的，因此需要用积 分的方法求解，结果为 厶2 ( ) = 4 k t y g 。 ( 2 4 ) 上式中的g 。为m o s 晶体管的跨导，系数y 对于不同的工艺尺寸有不同的逼近 值，对于长沟道m o s 晶体管，y 等于2 3 ；对于亚微米的短沟道m o s 晶体管，y 就 需要一个更大的逼近值。 m o s 晶体管中热噪声的来源除了前文中提到的沟道等效电阻之外，实际版图 中m o s 晶体管的三个端口都是采用欧姆接触的方式连接金属的，因此这些连接处 的等效电阻也会产生热噪声。 双极性晶体管的热噪声 q 图2 - 6 双极性晶体管的热噪声模型 1 0 第二章运算放大器的性能指标 双极性晶体管中的热噪声来源于基极的电阻，其热噪声的模型可以等效为一 个串联在理想双极性晶体管基极上的电压源，如图2 - 6 所示。图中圪2 ( 厂) = 4 k y r , ， 其中表示双极性晶体管的基极电阻。 2 3 2 闪烁噪声 闪烁噪声存在于一切有源器件和一部分分离无源器件( 如碳素电阻) 中，但 是与热噪声不一样，闪烁噪声只有当直流电流流过有源器件时才会出现。产生闪 烁噪声的原因是多样的，其中最主要的原因是由半导体材料中晶格的缺陷引起的。 这些晶格的缺陷可以随时俘获电流中的载流子，经过一定时间周期后再释放出去 【1 3 】 o 闪烁噪声通常也称为1 f 噪声，因为其谱密度可以用一个1 f 口的函数来表示， 其中口是一个o 8 到1 3 之间的常数。虽然m o s 晶体管和双极性晶体管都有闪烁 噪声，但是其在m o s 晶体管中表现得更加明显，在双极性晶体管中却可以忽略不 计。m o s 晶体管中的闪烁噪声可以等效为一个串联在理想m o s 晶体管栅极上的 电压源，如图2 7 所示。 图2 7m o s 晶体管 j 甲 蚴中孑( 舻而k 上式中w 是m o s 晶体管沟道的宽，l 是m o s 晶体管沟道的长， 化层单位面积的电容，k 是一个与工艺相关的常数。 2 3 3 散粒噪声 ( 2 5 ) 是栅氧 由于电流实际上是由大量的载流子构成的，所以电流不是连续平滑的，而是 电子科技大学硕士学位论文 由大量脉冲电流构成，当流过p n 结时导体将不再处于热平衡状态，于是产生了散 粒噪声。散粒噪声通常都是大于热噪声的，并且是与温度无关的物理量。 2 4压摆率与建立时间 运放在额定负载的情况下，当输入端加上一个大摆幅的阶跃信号时，输出不 能跟随输入阶跃信号立刻达到所需要的稳定值，而是需要一定的时间【1 6 】，如图2 8 中所示。 r 图2 - 8 单端运放压摆率示意图 定义运放输出上升段线性部分的最大斜率为压摆率( s l e wr a t e ) ，即 彤g wm 纪= m a x ( d v o 。，) ( 2 6 ) 图2 - 9 建立时间 压摆率是用来反映运放的大信号瞬态特性，主要是受电路中对电容进行充放 电的电流大小限制。由于在转换期间输入和输出之间的关系是非线性的，如果信 1 2 第二章运算放大器的性能指标 号的最大变化速率大于运放的压摆率，信号就会出现失真，因此压摆率在高速的 运放设计中显得尤为重要1 7 】【1 8 】。 当运放输入个大摆幅的阶跃信号时，除了之前提到的压摆率的问题外，还 有一个建立时间的问题，如图2 - 9 所示 由图2 - 9 可以看出运放的输出经过转换期间后不是立刻就达到所要的稳定值， 需要经过一定时间的减幅震荡逐渐达到稳定值。建立时间就是指从输入阶跃信号 时开始，输出电压上升到稳定值的误差容限内所需要的时间。 2 5最大输出摆幅 当运放输出信号摆幅大于设计值时， 的工作状态，从而导致电路的性能下降， 可能导致电路中的晶体管工作在不恰当 往往会导致跨导下降，漏噪声电流随之 增加，同时非线性增大。因此在设计时应该尽量增大运放的输出摆幅，让运放可 以适应更大范围的信号值。 2 6 本章总结 在本章中介绍了运算放大器设计时需要考虑的性能指标( 开环直流增益、单 位增益带宽和相位裕度等) ，说明了这些性能指标分别是衡量运算放大器的哪方 面性能，同时在定程度上讨论了这些性能指标的来源和特点。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章典型m o s 全差分运算放大器 在本章中将对一些典型运算放大器结构的性能进行分析和对比，为后面章节 运算放大器的设计做好准备工作。 3 1单端运放和全差分运放 运放的输入端都是采用差分的方式，根据运放的输出方式分为单端运放和全 差分运放，前者采用单端的方式输出，后者采用差分的方式输出。 如今在运放结构的选取上，更倾向于全差分结构的运放，因为相比于单端运 放，全差分运放有更大的优势。首先得益于采用差分信号的方式，全差分结构的 运放对噪声有更好的抑制和更大的输出摆幅；其次全差分运放可以抵消掉偶次谐 波失真，从而提高线性度；在结构上，单端运放比全差分运放会多出一个镜像极 点，从而会限制反馈系统的速度【2 0 】【2 1 1 。 同时相比于单端运放，全差分运放也有不足之处。首先全差分运放需要一个 额外的共模反馈电路来保持输出节点的共模电平，因此在电路结构上比单端运放 更复杂；其次全差分运放的压摆率会比单端运放小。 随着模拟集成电路中电源电压的不断减小，全差分运放具有更大的输出摆幅 的优点越来越明显，同时其对噪声更好的抑制是单端运放很难做到的【2 2 】【2 3 1 。因此 全差分运放应用越来越广泛，本文设计的运放也是采用全差分结构。 3 2典型m o s 全差分运算放大器 目前常见的m o s 全差分运放的结构有单级全差分、两级全差分和多级全差分 结构。单级全差分运放又有简单的全差分、套筒式共源共栅和折叠式共源共栅三 种结构，由于两级全差分运放和多级全差分运放都是在单级全差分的基础上加上 后级，因此在下文中只对单级m o s 全差分运放的几种典型结构进行讨论。 1 4 第三章典型运算放大器的结构分析 3 2 1 简单的全差分结构 尽管在运放的设计中很少采用简单的全差分结构运放，但是套筒式共源共栅 和折叠式共源共栅两种结构的运放都是在此基础上进行优化的，所以先简要说明 一下简单的全差分结构运放。 一个简单的全差分结构运放如图3 1 所示。 图3 1 简单的差动放大器运放 图3 - 1 中，v d d a 表示电源电压，m 1 和m 2 构成运放的输入差分对，m 3 和 m 4 构成负载，信号的输出摆幅为2 一( ，+ l ，j + 比) 】，其中，和，分别 表示m 1 和m 3 的过驱动电压，圮。为尾电流源两端的电压。运放的增益 4 g 。1 ( 名li i 吃3 ) ，g 。表示输入对管m 1 的跨导，名。和名3 分别表示m 1 和m 3 管 子的输出电阻，通过后面章节的对比可以看出简单的全差分结构增益不够高。 3 2 2 套简式共源共栅结构 针对简单全差分结构运放的增益不够高的缺点，提出了套筒式共源共栅的结 构2 4 1 。回顾前文中简单全差分结构运放的增益4 g 册l ( 。l 2 ) 可以看出，要增 大运放的增益可以增大运放的跨导或输出电阻，套筒式共源共栅结构的思路就是 通过增大运放的输出电阻来提高运放的增益。套筒式共源共栅结构如图3 2 所示。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 空k 图3 2 套筒式共源共栅结构 相比于简单的全差分结构，套筒式共源共栅运放增加了两对m o s 管。首先分 析套筒式共源共栅的输出电阻，画出单边小信号等效电路如图3 3 所示。 一 一 一 一 l 图3 3 套筒式共源共栅运放的单边小信号等效电路 通过图3 3 求出输出电阻为 r o w = ( g 删3 + g r a b 3 ) r 0 1 r 0 3 | | ( g 肌5 + g 朋6 5 ) 名5 r 0 7 ( 3 1 ) 于是得到套筒式共源共栅运放的增益为 a 。g 聊l ( g 小3 + g m 6 3 ) 名1 名3i l ( g 朋5 + g m 6 5 ) 名5 r 0 7 ( 3 2 ) 假设图3 2 和图3 1 中所用的m o s 管参数全部一样，以便进行粗略的比较。 通过对比可以看出，套筒式全差分结构的增益达到了简单全差分结构的增益的平 方的一半。 增加的两对m o s 管大大改善了运放的增益，但是由于是在原有的m o s 管层 叠上一个共源共栅管，因此减小了信号的输出摆幅。套筒式共源共栅结构的输出 1 6 第三章典型运算放大器的结构分析 信号摆幅为2 一( ，+ ，+ i ，l + f ，f + 比) ，相比于简单的全差分结构减 小了两个过驱动电压。 当套筒式共源共栅运放的输入正端加上一个大摆幅的阶跃信号时，m 2 关断， 尾电流源中的电流全部流过m 1 ，于是运放的正负输出端都有i b 大小的电流对负载 电容进行充放电，于是得到正负压摆率都为 s l c = 等 ( 3 3 ) l 上 上式中c l 为负载电容，可以看出套筒式共源共栅运放的压摆率和支路中的电 流成正比。 对套筒式共源共栅结构做噪声分析，可以得到每单位带宽内的输入噪声电压 为 一v 2 = 8 k t 岳+ 磊，+ 专 击+ 2 面k p “9 2 , 2 耵 1 b 4 ， 上式中瓦和k 尸分别表示n m o s 和p m o s 的1 f 噪声系数。由上式可以看出， 增加的共源共栅管子的噪声几乎可以忽略，主要的噪声还是来源于m 1 和m 2 两对 输入对管。同时可以看出要想减小运放的噪声，可以适当的将m o s 管的面积做大。 3 2 3 折叠式共源共栅结构 图3 _ 4 折叠式共源共栅结构 1 7 电子科技大学硕士学位论文 从上- d , 节的分析可以看出，套筒式共源共栅结构提高了运放的增益，但是 减小了输出信号的摆幅，同时还有一个重要的缺点就是很难实现输出和输入短路 连接。为了减小这些不利因素，可以使用折叠式共源共栅结构【25 l ，如图3 4 所示。 图3 4 中给出的是一个采用p m o s 作为输入对管的折叠式共源共栅结构的运 放，从图中可以看出电路中有输入器件和共源共栅器件的两条支路电流，因此折 叠式共源共栅结构的运放有更大的功耗。 此结构相对于套筒式共源共栅结构最大的优点就是输入和输出的共模电平可 以设计得一样，同时对输出信号的摆幅也有所改善。折叠式共源共栅的输出信号 摆幅为2 一( ，+ ，+ l ，i + i 。i ) 】，相比套筒式共源共栅结构来说增加了 一个尾电流源的过驱动电压。但是由于图3 4 中m 3 和m 4 流过的电流比较大会导 致m 3 和m 4 的过驱动电压也会比较大，因此折叠式共源共栅对输出信号摆幅的改 善时有限的。 为了分析折叠式共源共栅结构的输出电阻，画出单边小信号等效电路如图3 5 所示。 一 l = 图3 5 折叠式共源共栅运放的单边小信号等效电路 由图3 5 可以求得折叠式共源共栅结构运放的输出电阻为 足。，= ( g 。5 + g m 6 5 ) 5 ( 名。i l 吃3 ) jl | 【( g 。7 + g r a b 7 ) 名7 r 0 9j ( 3 5 ) 于是得到折叠式共源共栅结构运放的增益为 a 。g m l ( g 小5 + g r a b 5 ) t 0 5 ( t 0 1 | | t 0 3 ) jl i ( g 肌7 + g r a b 7 ) r 0 7 r 0 9j ( 3 6 ) 由于m 3 流过了输入器件和共源共栅器件所在的两条支路的电流，因此减小了 m 3 的输出阻抗( r ，) ，同时上式中匕，和，进行并联，因此对于相类似的器件尺。 寸和偏置电流，套筒式共源共栅结构运放的增益会大于折叠式共源共栅结构的运 1 8 第三章典型运算放大器的结构分析 在设计折叠式共源共栅结构运放时，为了使正负压摆率相等，总是设计共栅 支路的电流等于共源支路电流的一半f 2 6 】。当运放正的输入端加上一个大摆幅的阶 跃信号时，m 1 关断，尾电流源中的电流全部流过m 2 ，然后使m 4 的漏极电压升 m 4 中的电流2 i b ，于是m 1 0 中的大小i b 的电流经过运放的正输出端对负载电容进 行充放电，m 3 和m 9 中的电流的差( m 3 中的电等于2 i b ，m 9 中的电流等于i b ) 乩r = 挚( 3 7 ) 同样上式中c l 为负载电容，可以看出折叠式共源共栅运放的压摆率与运放的 曙2 兰2 应k ：至+