（微电子学与固体电子学专业论文）应用于asic中的高性能cmos运算放大器.pdf

堕堡鎏三些查兰三兰堡圭耋璺鲨苎 摘要 运算放大器是超大规模集成电路和系统的重要组成部分，被广泛的应用 于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中。大量的具 有不同复杂程度的运算放大器被用来实现各种功能。 随着液晶显示朝着紧凑，轻薄，低功耗和高品质的方向发展，低压低功 耗大输出摆幅的视频显示驱动的需求也在不断扩大。用于液晶显示驱动的运 算放大器即要求有较高的工作速度，又要有较大的输出电流来驱动大的负载 电容，同时还要有较低的功耗和较小的面积。本文采用标准u m c0 3 5l l m 5 vc m o s 工艺设计了两个不同结构的应用于液晶显示驱动的视频运算放大 器。两个放大器工作频率为2 7 m h z ，驱动大负载电容可达9 0 p f ，输出电压 摆幅大于9 0 。其一闭环增益为4 ，采用折叠式共源共栅结构，另一个闭环 增益为1 ，采用轨至轨运算放大器结构。 本文首先介绍了运算放大器的基本工作原理，然后分别对两个放大器中 各模块的工作原理进行详细的分析、说明，并在此基础上完成了电路设计。 通过采用合适的电路结构和器件参数来提高运算放大器的各项重要指标。最 后通过仿真对电路设计进行了验证。 关键词运算放大器：折叠式共源共栅结构；轨至轨；甲乙类推挽结构 堕垒鎏三些奎兰三耋堡圭耋堡丝兰 a b s t r a c t o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ( o pa m p s ) a r ee s s e n t i a le l e m e n t si nv l s i ( v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) a n dl o t so fe l e c t r o n i cs y s t e m s i ti sw i d e l yu s e di nm a n ya n a l o g i n t e g r a t e dc i r c u i t ，m i x e da n a l o g d i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i ta n ds o c ( s y s t e mo na c h i p ) o pa m p sw i t hv a s t l yd i f f e r e n tl e v e l so fc o m p l e x i t ya r eu s e dt o r e a l i z e m a n yf u n c t i o n s w i t ht h ee v o l u t i o no fc o m p a c t ，l i g h t - w e i g h t ，l o w p o w e ra n dh i g h q u a l i t y d i s p l a y s ，t h e r ei sal a r g ed e m a n dt od e v e l o pl o w - p o w e rd i s s i p a t i o n ，h i g h - s p e e d ， h i g h r e s o l u t i o na n dl a r g eo u t p u ts w i n gl i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) d r i v e r h i g h o u t p u tc u r r e n ti sa l s on e e d e dt od r i v eh e a v yl o a d i nt h ep a p e lt w ov i d e oa m p l i f i e r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sw h i c ha r c w o r k i n ga sl c dd r i v e r sh a v eb e e nd e s i g n e d t h e ya l la d o p ts t a n d a r du m c 0 3 5 i _ t m5 vc m o st e c h n o l o g y t h e ya r ea l lu s e dt od r i v el a r g ec a p a c i t o rw h i c hi s 9 0 p f ，u n d e rh i g hf r e q u e n c yo f2 7 m h z ，a n dh a v el a r g eo u t p u ts w i n gw h i c hi s m o r et h a n9 0 o n ei saf o l d e d c a s c o d eo pa m pw i t h4c l o s el o o pg a i n ，a n dt h e o t h e ro n ei sar a i l t o - r a i lo pa m pw i t hu n i t yc l o s el o o pg a i n t h eb a s i co p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h eo pa m p sa r ei n t r o d u c e df i r s t ，a n dt h e n ， t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h em o d u l e sa r ed e s c r i b e da n da n a l y z e di nd e t a i l s b y c h o o s i n g t h e a p p r o p r i a t es t r u c t u r ea n dd e v i c ep a r a m e t e r s ，t h ei m p o r t a n t p e r f o r m a n c e so ft h ec i r c u i to r ei m p r o v e d f i n a l l y , t h ed e s i g n i n go ft h ec i r c u i ta r e f i n i s h e da n dt h ev e r i f i e a r l o ni sd o n eb ys i m u l a t i o n k e y w o r d so p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ；f o l d e d c a s c o d e ；r a i l t o r a i l ；c l a s s a b 1 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 集成电路已经发展到系统级芯片( s o c ) 的阶段。模拟电路是s o c 中不 可缺少的部分。由于器件尺寸不断缩小和低电源电压、低功耗等要求，模拟 c m o s 集成电路的设计在不断的发展，在s o c 中变得越来越重要。 随着数字信号处理算法的功能日益增强，许多传统上用模拟电路形式实 现的功能很容易在数字领域内完成。尽管许多类型的信号处理已经转移到数 字领域，但是，在现代许多复杂高性能系统中模拟电路从根本上己被证明是 必须的。 自然界产生的信号，至少在宏观上，是模拟量。由于所有这些信号最终 都必须在数字领域进行多方面的处理，所以我们看到，每个这样的系统都由 一个模一数转换器( a d c ) 和一个数字信号处理器( d s p ) 组成，如图1 1 所 示。高速、高精度、低功耗a d c 的设计是模拟电路设计的众多难题之一。 实际上，自然界信号可以小到不能用a d c 直接数字化。因此图1 1 的前端 可以修改为图1 2 ，其中放大器用来增强信号的电平，模拟滤波器用来抑制 信号的频带外的成分。高性能放大器和滤波器的设计也是当今一个活跃的研 究课题”l 。 图1 - 1 自然界信号的数字化 f i g u r e l - 1d i g i t i z a t i o no f an a t u r a ls i g n a l 0 00 111 m i 脯r 1 01 图1 - 2 带有放大器和滤波器的数字化 f i g u r e l 一2d i g i t i z a t i o nw i t ha m p l i f i e ra n df i l t e r 模拟集成电路包含了纯模拟信号处理功能的电路和a d 混合信号处理 功能的电路。其技术范围涉及数据转换器( 如a d 、d a 转换器等) 、线性和 非线性放大器( 如运算放大器、射频放大器、对数放大器、电压比较器、模 拟乘法器等) 、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器( 如线性电压调节 日 o 1 1 1 小， 口1 o 1 = 幽 暗尔滨工业大学工学硕士学位论文 器、开关电源控制器等) 及其它模拟集成电路( 如驱动器、延迟线、传感器 等) 。 模拟集成电路主要被用来对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功 能，它和数字电路及a d 、d a 转换电路三者之间的关系，早在1 9 8 6 年就 被美国加州大学的p a u l r g r a y 教授提出的所谓“鸡蛋模型”作了形象描述， 该模型把它们三者整体上视为一个鸡蛋，而把数字电路视为蛋黄，模拟电路 视为蛋壳，a d 、d a 电路视为蛋清，三者既不相同，又是统一的有机整 体。现实世界中的各种模拟信息经模拟集成电路采集、放大、变换等处理 后，即可得到计算机或数字电路处理所需的信号，从而实现人们需要的信息 产品。显然，模拟i c 是模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。 模拟集成电路在处理模拟信号时，多数工作在小信号状态，信号频率往 往从直流延伸到高频，其工作与数字电路处理信号时工作在开关状态明显不 同。加上模拟i c 品种繁多，功能复杂，性能差异巨大，因此，模拟i c 在制 作工艺、器件结构、电路架构等方面都有别于数字电路的鲜明个性。 模拟集成电路的单片工艺技术主要发展有双极、b i c m o s 、c m o s 、 s i g e ，其中双极和b i c m o s 工艺使用较普遍。b i c m o s 技术是d a 混合信 号处理电路常采用的技术：互补双极技术是高速线性电路的良好制作技术； c m o s 技术是低功耗模拟电路常采用的技术；s i g e 技术是制作高性能射频 放大器的潜在优势技术，可与g a a s 技术相竞争。由于数字化革命席卷全 球，它所带来的影响是使集成电路走向更高的集成度、更低的功耗、更小的 体积、更低的价格，将大大加速模拟与混合信号集成领域的发展进程，并使 模拟与数字电路的制作紧密结合。因此，模拟电路的单一的或有限的加工工 艺难以满足系统技术发展要求，即使在单片工艺技术方面，也必须多种加工 工艺同时存在。随着c m o s 技术水平的提高，在模拟与数字混合电路的加 工工艺方面有向c m o s 方向发展的趋势。 在器件方面，由于应用对模拟集成电路的要求干差万别，因此，不仅开 发出十余大类的模拟i c 产品，而且对各类模拟i c 又都开发出数百、数千种 产品，产品种类和性能水平应有尽有，可满足应用的不同需要。 模拟集成电路种类繁多，其性能要求各不相同，一般高速放大器将继续 向更高速度、更低噪声、更大动态范围等方向发展；一般数据转换器将继续 向更高速度、更高精度等方向发展；般功率放大器将继续向更大功率、更 高效率方向发展；低功耗电路特别是便携式设备应用电路将继续向更低功 耗、更低电源电压方向发展。 堕垒堡三：些查兰三兰堡圭耋堡墼兰 总之，随着系统或整机的发展，各类模拟i c 将不断提高其综合性能水 平以满足它们的性能需求，同时系统或整机的技术要求反过来又推动着模拟 i c 技术和性能水平的不断提高。 1 2 运算放大器简介及发展趋势 1 2 1 运算放大器简介 运算放大器( 简称运放) 是许多模拟系统和混合系统中的一个完整部分。 大量的具有不同复杂程度的运放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。 运算放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电 路，根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压低功耗型、高速型、 高精度型和高压大功率型五大类运放产品。 通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理 功能的电子系统都可采用通用运放。这类器件的主要特点是价格低廉、产品 量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。 低电压低功耗运放主要面向手机、p d a 等以电池供电的便携式电子产 品。由于电予电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便 携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放 大器相适用。 高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品。在 快速a d 和d a 转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率 一定要高，单位增益带宽一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高 速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频 率响应。 高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。在 精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压 要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。 高压大功率型运放主要用来提供高输出电压和大输出电流。运算放大器 的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最 大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电 流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需 堕垒堡三些查兰三兰堡兰竺篁三 附加任何电路，即可输出高电压和大电流。 1 2 2 运算放大器发展趋势 近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的 技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。为 此，设计人员在设计方法上不断创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升 运放性能提供了一定的保证。在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着 速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。 1 2 2 1 通讯和视频应用使高速运放成为焦点 高速运放泛指频宽高于5 0 m h z 的运放，而现在为了与信号链后端组件 ( 例如高速a d c 或处理器) 的需求相匹配，运放的频宽记录已突破g h z 。这 主要源于后端组件的效能近年来显著提升，因而位居信号链前端的运放为了 与后端组件相匹配，以避免拖累信号链的整体效能表现，于是开始向高速化 发展，未来高速运放可能跃升为主流运放产品。 驱动高速运放市场增长的主要应用是模拟视频处理和传送以及通讯系 统。而且，伴随更高的分辨率显示和射频频谱的有效使用，这两种应用在未 来将会给设计人员提出新的挑战。 1 2 2 2 便携式应用催生低电压，低功耗运算放大器 随着手机、p m p 等依赖电池供电的便携式产品出现，强调低功耗、低 电压的运放应运而生。一般定义下的低电压运放，指工作电压低于2 5 v ， 而所谓的低功耗运放，通常指供电电流低于l m a 。这类运放大多用在音频 系统或是电压比较电路、滤波器等不需要太高频宽的应用。 此外，在测试、测量和医疗系统，工程师也希望在低功耗水平下获得改 进的性能( 例如，更高的带宽、更快的转换率和更低的失真度) ，所以在这些 领域低功耗运放也有刨新机会。 1 2 2 - 3 测试测量等应用推进高糟度运放发展 高精度运放一般指失调电压低于l m v 的运放。与低电压低功耗运放不 同，这类产品由于对信号精准度的要求极高，如果将这类运放整合到后端芯 片中形成s o c ，其它电路的噪声将严重干扰此类运放的正常运作，因此就 现阶段的技术来看，这类运放将是最不容易被整合的组件。高精度运放可用 于工业自动化、医疗器材、量测仪器、汽车电子、甚至军事国防等不同领 域。 堕玺堡三些盔耋三兰罂圭耋竺丝三一：一 1 2 2 4 通用运放在传统应用领域仍有发展空间 虽然随着应用需求不断变更，运放供货商必须顺应市场变化推出相应的 新产品。然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久，有些应用产品的生 命周期也长达十多年，因此很多传统产品仍有其一定的市场需求，例如在汽 车与工业自动化领域，就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。 通用运放对工程师而言，可以说是最常用的半导体组件之一。通过外部 电阻的不同配置，一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出，以符合 信号链后端的a d c 、电源管理芯片等组件的输入信号要求。正因为其简单 易用的特性，再加上极为经济实惠的价格，因而使得这类放大器始终在出货 量上稳居运放市场的主流地位。 综上所述，未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品，但从整体 看，各类运放的市场规模都将呈现增长态势。便携式音频视频播放器、无 线通讯、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的 机会 2 1 。 1 2 3 视频放大器简介 随着液晶显示朝着紧凑，轻薄，低功耗和高品质的方向发展，低压低功 耗大输出摆幅的视频显示驱动的需求也在不断扩大【j ，4 j 。视频显示驱动通常 由列驱动器，门驱动器，控制器和基准源组成。为了得到高速，低功耗和大 输出摆幅的驱动，列驱动器是尤为重要的【”。列驱动器通常包括寄存器， 数据锁存器，数模转换器以及输出缓冲器。其中，输出缓冲器决定了列驱动 器的速度，电压摆幅以及功耗【8 ，9 】。由于数以千计的输出缓冲放大器放置在 一个芯片内，所以缓冲器的面积和功耗应尽可能的小。输出缓冲器需要提供 几乎是轨到轨的电压驱动范围。同时，建立时间要小于垂直扫描时间。 输出缓冲器通常由运算放大器构成，用来驱动液晶面板中的大电容阵 列。由于负载电容取决于显示面板的大小，输出缓冲器需要可以驱动大变化 范围的负载电容【3 1 。另外，由于缓冲放大器需要具有高的开环增益以获得较 低的系统失调电压，所以视频显示驱动通常使用两极缓冲放大器。为了使电 路能够稳定工作，这个两极运算放大器需要用密勒电容进行补偿。而这个补 偿电容却会占用很大一部分面积。许多放大器采用输出结点作为主极点来获 得足够的稳定性而不需要密勒补偿l l m 。 基于以上分析我们可以发现，用于液晶显示驱动的运算放大器即要求有 竺互釜三兰尘兰三兰至三：竺鲨兰 1 2 2 4 通用运放在传统应用领域仍有发展空间 虽然随着应用需求不断变更，运放供货商必须顺应市场变化推出相应的 新产品。然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久，有些应用产品的生 命周甥也长达十多年。圆此很多传统产品仍有其一定的市场需求，侧如在汽 车与工业自动化领域，就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。 通用运放对工程师而言可以说是最常用的半导体组件之一。通过外部 电阻的不同配置，一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出，以符合 信号链后端的a d c 、电源管理芯片等组件的输入信号要求。f 因为其简单 易用的特性，再加上极为经济实惠的价格，因而使得这类放大器始终在出货 量上稳居运放市场的主流地位。 综上所述，未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品，但从整体 看，各类运放的市场规模都将呈现增长态势。便携式音频视频播放器、无 线通讯、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的 机会【2 1 。 1 2 3 视频放大器简介 随着液晶显示朝着紧凑，轻薄，低功耗和高品质的方向发展，低压低功 耗大输出摆幅的视频显示驱动的需求也在不断扩大“4 】。视频显不驱动通常 由列驱动器，门驱动器，控制器和基准源组成。为了得到高速，低功耗和大 输出摆幅的驱动，列驱动器是尤为重要的【5 “l 。列驱动器通常包括寄存器， 数据锁存器，数模转换器以及输出缓冲器。其中，输出缓冲器决定了列驰动 器的速度，电压摆幅以及功耗p _ j 。由于数以千计的输出缓冲放大器放置在 一个芯片内，所以缓冲器的面积和功耗应尽可能的小。输出缓冲器需要提供 几乎是轨到轨的电压驱动范围。同时建立时间要小于垂直扫描时间。 输出缓冲器通常由运算放大器构成，用来驱动液晶面板中的大电容阵 列。由于负载电容取决于显示面板的大小，输出缓冲器需要可以驱动大变化 范围的负载电容。另外，由于缓冲放大器需要具有高的开环增益以获得较 低的系统失调电压，所以视频显示驱动通常使用两极缓冲放大器。为了使电 路能够稳定工作，这个两极运算放大器需要用密勒电容进行补偿，雨这个补 偿电容却会占用很大一部分面积。许多放大器采用输出结点作为主极点来获 得足够的稳定性而不需要密勒补偿【l ”。 基于以上分析我们可以发现，用于液晶显示驱动的运算放大器即要求有 基于以上分析我们可以发现，用于液晶显示驱动的运算放大器即要求有 兰玺鎏：兰查耋j ：耋璧土耋堡兰兰 较高的工作速度，又要有较大的输出电流来驱动大的负载电容，同时还要有 较低的功耗和较小的面积。考虑到运算放大器性能参数之间的制约关系，我 们只能在上述要求之间寻求一个平衡点来满足设计要求。 1 3 视频放大器的国内外研究现状 近几年随着手机和l c d 电视等市场的不断扩大，用户对于视频放大器 的要求发生变化，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重 要。许多公司如英特矽尔、凌特、德州仪器和飞兆半导体等纷纷推出了新型 放大器来满足视频应用领域对于驱动器和缓冲器的需求【3 】。 在设计任何应用的视频系统时，视频放大器的性能都非常关键。但是不 同的终端产品，所需要放大器产品的性能也都不尽相同。要求最苛刻的应用 领域是液晶投影机领域，该领域产品尺寸小、易碎、具有明亮的高分辨率显 示，同时还要有良好的价格。这就要求视频放大器具有更高的带宽和转换速 率、低功率、封装尺寸小及良好的通道分隔性能。 视频领域存在许多趋势，其中比较重要的个趋势是分辨率越来越高。 随着便携产品的视频分辨率由v g a 提高至s x g a 和更高水平，运算放大器 的速度也将随之提高，同时也要改善其带宽和失真性能，以满足高分辨率视 频的要求。市场的总体需求趋势大体相同：比如便携式产品对更低电压的要 求意味着视频放大器的电压也更低，同时需要更多的轨到轨放大器；采用更 小的封装，同时集成更多的片上功能，如增益电阻，在更高的带宽上采用片 上反馈路径改善信号完整性和降低串扰低功耗；更快的速度以满足更高的屏 幕分辨率；最后则是更低的功耗。 随着电路结构的不断改进和新技术的开发应用，视频放大器的性能也在 不断提高。 1 4 本文的主要研究内容和论文结构 本文首先是对运算放大器的理论与实现方法进行系统的研究，之后根据 不同的设计要求采用不同的电路结构，设计了两个应用于l c d 液晶显示驱 动中的视频放大器，以实现在较高的工作频率下驱动大的负载电容。 基于研究内容，本文结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题背景，运算放大器的种类、应用以及发展 哈尔滨工业大学工学坎士学位论文 趋势，视频放大器的发展现状。 第二章主要介绍运算放大器的常见结构、工作原理，及一些重要的参数 和性能指标。 第三章具体介绍本人设计的一种闭环增益为4 ，带有甲乙类推挽输出级 的折叠式共源共栅运算放大器的设计流程、电路结构、工作原理以及仿真结 果。 第四章介绍本人设计的一种闭环增益为1 ，轨到轨结构的单位增益放大 器，并详细论述其工作原理、设计流程、电路结构，并给出仿真结果。 最后，根据仿真结果给出相关结论。 堕堡鎏三兰查兰三兰堡圭兰堡篁圣 一 第2 章运算放大器的基本原理与性能参数 2 1m o s 器件物理特性 本节主要介绍m o s 晶体管的一些基本概念，基本结构，并推导其电流 电压特性。为运算放大器的分析与设计奠定理论基础。 2 1 1b l o s 晶体管的结构 以n m o s 器件的简化结构为例，如图2 1 所示。器件制造在p 型衬底 上，两个重掺杂n 区形成源端和漏端，重掺杂的多晶硅区作为栅，一薄层二 氧化硅使栅与衬底隔离。器件的有效作用就发生在栅氧下的衬底区。这种结 构中源和漏是对称的。实际上，衬底的电位对m o s 器件的特性有很大影 响。也就是说，m o s 晶体管是一个四端器件。在典型的m o s 工作中， 源、漏结二极管都必须反偏。p m o s 器件结构与n m o s 类似，可通过将所 有掺杂类型取反来实现。 图2 - 1 m o s 器件的结构 f i g u r e 2 - 1s t r u c t u r eo f am o sd e v i c e 2 1 2b l o s 的电流电压特性 通过对m o s 晶体管工作原理的分析与计算，有 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 i 。= l i n 孚【( 一踟) 一要2 】( 2 - 1 ) 其中，i d 为晶体管漏电流，。为电子迁移率，c 。为单位面积栅氧化层 电容，v g s 、v d s 和v t h 分别为栅源电压、漏源电压和阈值电压。 图2 - 2 给出了在不同的v g s 时根据式( 2 1 ) 得出的抛物线，每条抛物线的 极值发生在v d s = v o s v t h ，且峰值电流为 厶，。= = 1 n c o x w ( v g s v r n ) 2( 2 2 ) 称v c s v t h 为“过驱动电压”，w l 为“宽长比”。如果v d s s v g s v t h ， 则称器件工作在“三极管区”。 当v d s ： v ( j s - - v t h 时，漏电流并不遵循抛物线特性，如图2 - 3 所示，这 时i d 相对恒定，称器件工作在“饱和区”。此时有 如：昙f i n c o x w ( v , ；s v r n ) ：( 2 - 3 ) 其中l 为有效沟道长度。 图2 - 2 三极管区漏电流 f i g u r e 2 _ 2d r a i nc u r r e n ti nt r i o d er e g i o n 善姜娄 圈2 - 3 饱和区漏电流 f i g u r e 2 - 3d r a i nc u r r e n ti ns a t u r a t i o nr e g i o n 由于m o s 晶体管工作在饱和区时，其电流受栅源过驱动电压控制，所 以我们可以定义一个性能系数来表示电压转换电流的能力。把这个性能系数 定义为漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，称之为“跨导”。用g 。来表 示，其数值为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 也可表示为 和叩踟等( 一踟) 和= 蹲= 淼 2 2 放大器的基本结构及原理 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 在大多数模拟电路和许多数字电路中，放大是一个基本的功能。本节主 要介绍各类放大器的结构、特点以及工作原理。 2 2 1 单级放大器 单级放大器主要有四种类型：共源结构、源跟随器、共栅结构和共源共 栅结构。 2 2 1 1 共源结构 根据负载的不同，共源级结构又可分为 电阻负载共源级、二极管连接负载共源级、 电流源负载共源级和线性区m o s 负载共源 级等多种类型。应用中有时要求单级有很大 的电压增益，关系式a v = - - g 。r d 表示，我 们可以增大共源级的负载电阻。但是对于电 阻或者二极管连接的负载而言，增大阻值会 限制输出电压的摆幅。因此采用电流源为负 载的共源级结构被广泛采用，其结构如图 2 4 所示。 电路中两个管子都工作在饱和区。在输 出结点所看到的输出阻抗等于r 0 ii ir 0 2 ，所 以增益为 v l n 图2 4 电流源负载的共源级 f i g u r e 2 - 4 c s s t a g e w i t h c u r r e n ts o u r c el o a d 爿v _ 一g m l ( r o lp r 0 2 ) ( 2 6 ) 这里的关键是：m 2 的输出阻抗和所要求的m 2 的最小漏源电压之间的 联系较弱，而电阻阻值和它上面压降的联系却较紧密。保持w 2 不变，增大 l 2 可以增大r 0 2 ，因此也可以提高增益。 堕堡鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡兰兰 2 。2 。1 2 源跟随器 对共源级的分析指出，在一定范围的电源电压下，要获得更高的电压增 益，负载阻抗必须尽可能大。如果这种电路驱动一个低负载阻抗，为了使信 号电平的损失小到可以忽略不计，就必须在放大器后面放置一个缓冲器。源 跟随器就可以起到一个电压缓冲器的作用。 源跟随器的结构及原理如图2 5 所示，源跟随器利用栅极接收信号，利 用源极驱动负载，使源极电势能跟随栅压。当v i 。 ：荔。”镰 晰絮广、s 。v o l t a g e ?：。 ， s 二一瓣 s 喇i i ：； 2 5 本章小结 本章首先介绍了m o s 晶体管的结构及其电流电压特性。 之后介绍了各类放大器的结构、原理以及各自的特点，包括单级放大 器、差动放大器和运算放大器，为放大器的设计奠定了理论基础。 然后论述了反馈系统的结构、原理和特性。 最后对运算放大器的性能参数进行了简单的阐述。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章折叠式共源共栅运算放大器的设计 本章详细介绍了折叠式共源共栅运算放大器设计的指标要求以及根据指 标选择电路结构的步骤，分析了电路各部分的工作原理。之后对运算放大器 的性能指标进行仿真，并将电路的仿真结果和设计要求做了比较。 3 1 放大器的设计指标要求及应用 本章所设计的折叠式共源共栅运算放大器需要实现四倍的闭环增益，用 于在较高的工作频率下驱动大的负载电容。电路的设计采用u m c0 3 5 1 t m 工艺实现。电路的性能指标如下所示： ( 1 ) 输入信号频率大于2 7 m h z ( 2 ) 负载电容9 0 p f ( 3 ) 闭环增益等于4 ( 4 ) i 作电源电压为5 v ( 5 ) 输出电压摆幅大于9 0 3 2 电路整体结构的选取 图3 1 给出了运算放大器的主要部分。c m o s 运算放大器的差分跨导级 构成了放大器的输入级，输入级有时还起到从双端差分输入到单端输出的变 换作用。通常，整个电路的增益，一大部分是由差分输入级提供的，它还可 改善噪声性能和降低输入失调。第二级一般采用反相器。当差分输入级没有 完成差分单端变换时，就由第二级反相器来完成。如果该运放需要驱动低 阻负载，则在第二级后面再接一个缓冲级，以降低输出阻抗并增大输出信号 摆幅。偏置电路是用来给晶体管建立适当的静态工作点。另外，要用补偿技 术来稳定闭环特性。【m 1 9 】 竺玺堡三些查耋三兰堡圭兰兰鲨兰 v l v 2 图3 - 1 两级运算放大器整体结构图 f i g u r e 3 - 1b l o c kd i a g r a mo fag e n e r a lt w o - s t a g eo pa m p 3 2 1 输入级结构的选取 设计指标中要求输出电压范围大于9 0 ，丽采用的电源电压为5 v ，因此 输入电压范围介于0 1 2 5 v 范围内，而在这样一个较低的电压范围内n m o s 晶体管基本处于关断状态，因此要采用p m o s 管输入的共源共栅结构。一级 运放的直流开环增益很低，因此决定了此放大器需要采用二级增益结构。同 时，5 v 的电源电压和输出摆幅决定了共源共栅结构的级数，因此这里采用 二级共源共栅结构。1 2 t - 2 5 1 3 2 2 输出级结构的选取 由于设计指标中要求输出电压范围大于9 0 ，另外由于需要驱动大的 负载电容，所以要求输出级具有较高的动态范围和很高的效率，因此在本章 所设计的放大器中我们采用甲乙类推挽输出放大器作为输出级。通过后面的 仿真结果我们可以看到此种结构可以使输出摆幅满足设计要求，并且此结构 的优点是具有很高的效率，只需要很低的静态电流就能满足放大器输出电流 的要求，对于降低整体电路的功耗有很大帮助。2 6 1 堕垒鎏三当盔：三兰鉴：兰垒兰三 一 3 2 3 补偿电路 利用m i l l e r 补偿技术对电路进行补偿，采用添加补偿电容的方法把主极 点向低频移动，非主极点向高频移动来实现极点分离，从而改善运算放大器 的频率特性，添加补偿电阻来减小右半平面的零点对系统稳定性的影响。 3 2 4 反馈电路 根据设计参数要求，闭环增益为四，在此电路的设计中采用电阻反馈网 络来实现，由式( 2 1 5 ) 可知，两个构成反馈系统的电阻的比值为3 ：1 。 3 2 5 电路的整体结构图 电路的整体结构原理图如图3 - 2 所示。 3 3 电路工作原理及详细设计 在实际采用的运算放大器结构中，输入信号通过第一级的差分跨导运算 放大级，输入第二级高增益级，同时用m i n e r 补偿电路来稳定闭环特性，偏 置电路提供所有的偏置，输出信号通过反馈网络返回到输入级，形成输入信 号的精确复制，同时对负载电容进行充放电。 3 3 1 折叠式共源共栅结构的输入级 由于输入共模电压范围是0 1 2 5 v ，采用的电源电压为0 - 5 v ，因此要采 用p m o s 管输入，同时在第一级电路中运用共源共栅结构能获得优良的噪声 性能，通过增加共源共栅结构的输出电阻可以有效地增大整个运放的增益， 同时共源共栅结构在共模输入、电源驱动、电源电压抑制比等性能上也有优 于其它结构的方面。 如图3 2 所示，晶体管m 4 、m 5 构成了放大器的输入对管，为了使放大器 的增益较大，需要输入管的宽长比尽可能大，但同时为了节省芯片面积以及 不产生较大的寄生电容，需要对宽长比的选取进行折中，需要通过对整体电 路的仿真进行确定。m o 、m 2 以及m 6 至m 1 l 构成了共源共栅级，其作用 是对输入信号进行放大，并提供电流对补偿电容进行充放电，并为第二级电 路提供输出电压。f 2 9 为输出恒定的基准电流源，为电路提供稳定的工作电 堕堡堡三些尘兰三兰鎏圭兰堡兰兰 图3 2 折叠式共源共栅运放电路原理图 f i g u r e 3 2s c h e m a t i co ff o l d e d - c a s c o d eo pa m p 2 6 童玺薹三些盔耋王耋墨圭兰釜鎏三 。 流。m 3 ；和m 1 构成电流镜，对基准电流进行复制，作为输入管的尾电流流入 输入对管。m 2 0 、m 2 2 、m 2 3 以及m 3 0 和m 3 1 为共源共栅级提供适当的偏置 电压，使共源共栅级工作在饱和区，使其产生电流放大作用。 3 3 2 甲乙类推挽结构的输出级 由前面的分析可知，输出级需要驱动大的负载电容，并且要求输出级具 有较高的动态范围和很高的效率，因此采用甲乙类推挽结构作为输出级。 如图3 2 所示，输出级由晶体管m 1 3 、m 1 4 和m 2 4 至m 2 7 构成。m 2 5 和m 2 7 与前级电路构成电流镜，分别为m 2 4 和m 2 6 提供偏置电流，并对 m 1 4 和m 1 3 进行补偿。理想情况下，m 1 3 、m 1 4 、m 2 4 和m 2 6 的栅电压互 相补偿。 2 7 3 3 】 图3 - 3 所示的仿真结果表明，输入电压为高电平或低电平的期间内，流 过m 1 3 和m 1 4 的电流均为零。当输入信号上升沿来临时，m 1 4 瞬间流过大 电流，对负载电容进行充电，此时m 1 3 截至。当输入信号下降沿来临时， m 1 4 截至，电容存储的电荷通过m 1 3 流走，因此m 1 3 产生瞬间的大电流。 通过仿真结果我们可以看到此种结构具有很高的效率，只需要很低的静态电 流就能满足放大器输出电流的要求，并且只在电容充放电的瞬间有电流流 过，绝大多数时间内晶体管的电流为零，因此对于降低整体电路的功耗有很 大帮助。根据负载电容的大小以及工作频率的高低我们可以确定电路的转换 速率，经计算其值必须大于4 0 0 v i t s ，由此可以确定输出级所需提供的电流 值，并进一步确定输出级各晶体管的宽长比。 3 3 3 电路的频率特性和补偿方案 稳定系统中，增益相交必定发生在相位相交之前。相位裕度p h = 6 0 0 时，反馈系统得阶跃响应出现小的减幅振荡现象，可提供快速稳定。对于更 大相位裕度，虽然系统更加稳定，但时间响应减慢了。因此，p h = 6 0 。通常 是最合适的相位裕度。常用的放大器电路包含许多极点，必须通过补偿电容 来修正开环传输函数，以使闭环电路稳定，并且时间响应性能良好。在两级 运算放大器中，右半平面的零点给系统造成了不稳定性，可以通过添加与补 偿电容串联的补偿电阻来左移零点至左半平面，甚至可以消除一个非主极 点。如图3 2 所示，补偿电路由c 2 7 、r 2 8 和r 3 3 构成。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 薹 。 主 基砷。 l 重 l 柏m i 一1 ，一、 l 一一! l ； 图3 - 3 甲乙类推挽结构输出级电流 f i g u r e 3 3o u t p u tc u r r e n to f c l a s s a bo u t p u ts t a g e 3 4 仿真结果及分析 仿真是运算放大器设计的一项重要内容，运放的仿真与运放的应用环境 是不可分割的，在仿真之前一定要首先确定运放的实际负载，包括电阻、电 容负载，还应包括电流源负载，只有负载确定之后，仿真出的结果才是有意 义的。m o s 运算放大器的仿真包括直流特性仿真、交流特性仿真、瞬态特 性仿真、工艺容差仿真、温度特性仿真及极限( 最坏情况) 仿真等。 不同的应用场合对运放的性能指标要求也不一样，并不需要在任何时候 都要将运放的所有指标都进行仿真，所以，在仿真之前要明确应该要仿真运 放的哪几项指标，哪几项指标是可以不仿真的。在仿真时，要对不同的指标 分别建立仿真电路，这样有利于电路的检查。根据本课题所设计的放大器的 性能要求，需要进行的仿真包括直流特性仿真、交流特性仿真以及瞬态特性 仿真。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 直流、交流分析是获得电路菜一性能指标信息的一种手段，它需要一些 相关的条件来支持，当我们忽略了某一条件或根本没有弄清还有哪些条件 时，直流、交流分析的结果就可能与实际情况不一致，导致错误的发生。瞬 态仿真则是反映出电路工作的现象，只有瞬态仿真通过，才能说明电路具备 了相应的能力。我们在仿真运放的频率特性时，所设计的仿真电路是建立在 输入源的输出电阻为零的基础之上，此时仿真出的运放稳定性很好，但如果 实际电路前级的输出电阻不为零，此时应考虑运放输入级的寄生电容，这 时，在做实际电路的瞬态仿真时，会发现输出有较大的过冲，瞬态仿真必不 可少。而且，每一个直流、交流分析结果都可以用瞬态仿真加以验证。 3 4 1 理想运放仿真结果 在运算放大器的设计过程中，我们首先要了解对于给定的负载电容以及 工作频率，需要电源提供多大的电流为电容充放电，在理想状态下，电路的 输入输出电压值如何变化，以及电路正常工作所消耗的功率为多少等等。因 此在设计放大器之前，我们需要对理想放大器进行仿真，并将实际电路的仿 真结果与之进行比较。 理想放大器实际相当于一个电压控制电压源，具有无限大的增益和输入 电阻，输出电阻为零i l “。图3 - 4 所示为本章所设计的放大器的理想化模型。 其中e o 为电压控制电压源，其增益为5 0 0 0 ，r 7 以及c 8 对输入信号进行滤 波，形成所需的输出波形，r 8 、r 9 构成反馈电路，其比值为3 ：1 ，使得理 想运算放大器的闭环增益为4 ，c 2 为负载电容。 图3 - 4 理想运算放大器结构图 f i g u r e 3 - 4s c h e m a t i co fi d e a lo pa m p t；宁j妻蔫 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 理想运算放大器的仿真结果如图3 5 所示，v ( i n ) 以及v ( o u t ) 分别表示输 入及输出波形，曲线“a v g ”表示的是在理想情况下，对9 0 p f 的负载电容，以 2 7 m h z 的频率进行充放电，电源所需提供的平均电流值，通过仿真我们可 以看到，平均电流值为7 3 9 1 m a 。此值与实际设计的电路电流平均值进行比 较即可得到实际电路的工作效率，通常情况下电路的效率要大于5 0 。 图3 - 5 理想运放瞬态特性仿真结果 f i g u r e 3 5t r a n s i e n ta n a l y s i sr e s u l to fi d e a lo pa m p 3 4 2 直流参数仿真 直流参数仿真主要包括共模输入范围、动态输出范围、输出电压摆幅以 及输入失调电压等。由于本章所设计的放大器主要用于闭环反馈系统，且要 求很高的输出摆幅，所以仿真的重点放在输出电压摆幅和输入失调电压。 图3 6 所示为放大器的输出电压范围的直流参数仿真结果。输出动态范 。“柚。：=：暑“柚：”仙性，一。 墓 | 堕查羹三些查兰三耋璧圭：竺鲨i ：j ： 围是在额定的电源电压和额定的负载情况下，运算放大器可提供的没有明显 失真的最大输出电压范围。 在0 1 2 5 v 范围内，对输入信号进行直流分析，观察输出波形，测试输 出电压的线性跟踪范围，即为输出动态范围。为确信其问，做完d c 分析之 后，还应做瞬态分析加以验证，不断加大输入信号的幅度，直至输出信号有 明显失真，此时的输出电压的幅度，即为输出动态范围。 通过仿真结果，我们可以测得所设计的放大器输出摆幅为2 m v 至 4 9 8 v 。达到了输出电压摆幅大于9 0 的设计要求。 图3 - 6 输出电压范围仿真结果 f i g u r e 3 6d ca n a l y s i sr e s u l to fo u t p u tv o l t a g es w i n g 图3 7 所示为放大器输入失调电压的直流参数仿真结果。实际的运算放 大器中，当输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及电路本身的偏 差，使得输出不为零，而为一较小值，该值为输出失调电压，折算到输入级 即为输入失调电压，在0 v 左右一个很小的范围内，对输入信号进行直流分 析，观察输出波形，当输出电压为零时，对应的输入电压的绝对值即为输入 失调电压。 。帕枇蚰，“：仙伯，一一一。一 塑堡鎏三些奎兰三耋丝圭兰竺鎏圣 由图3 7 所示的仿真结果，我们可以测得此放大器的输入失