（电路与系统专业论文）用于电容传感器的高增益高性能运算放大器[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 运算放大器广泛应用于各种模拟电路、数模混合电路中，而由于各自所用的 目标电路不同侧重的指标也有差别。本文基于模拟集成电路基本理论与系统稳定 原理，对不同结构全差分运放( 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 ) 进行了性能 指标及测试技术探讨，并研究设计了一种用于电容式加速度检测电路的高增益的 两级c m o s 全差分运放及其版图。 首先，通过对运放开环直流增益、单位增益带宽、相位裕度和建立时间等性 能指标的分析，并对比分析了几种典型的全差分运放结构，设计开发了一种c m o s 全差分两级运算放大器。 在核心单元研发过程中，实现了密勒补偿方案使相位裕度达到了设计要求， 并提出了可微调的连续时间共模反馈结构。 进而，在c a d e n c e 环境下基于m mo 3 5umb i c m o s 工艺模型，对典型单元电 路进行s p e c t u r e 模拟。该两级c m o s 全差分运放的在常温5 v 电源及典型工艺模 型( t t ) 下开环增益为1 2 1 8 d b ，单位增益带宽8 4 8 m h z ，相位裕度7 8 6 。，功 耗4 3 6 5 m w 。此模块采用i b m 0 3 5umb i c m o s4 层金属布线工艺，设计实现的整 体运放版图面积为2 2 0l am 1 8 0 i tm 。 结果表明，所设计的高增益c m o s 全差分运放已满足并部分超出了预设指标。 调试后的电路已成功应用于电容式加速度计中。 关键词：c m o s 全差分两级运算放大器，高增益，电容式加速度计，共模反馈电 路 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 ri sw i d e l yu s e di na l lk i n d so fa n a l o ga n dm i x e d - s i g n a l c i r c u i t t h e r ea l em a n yd i f f e r e l l c e so ff o c u s e dp 硼o r m a n c eb e c a u s ei ti sa p p l i e df o r d i f f e r e n t i a lc i r c u i t b a s e du p o nb a s i cp r i n c i p l e so ft h ea n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i ta n d t h c o r i o so fs y s t e ms t a b i l i t y , t h i sp a p e rd e a l sw i t hf u l l yd i f f e r e n t i a lc m o so p e r a t i o n a l a m p l i f i e r s ( o p a m p ) o t h e rt h a nd i s c u s s i o n sa b o u ti t sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dt e s t i n g , at w o - s t a g ef u l l yd i f f e r e n t i a lo p a m pf o rc a p a c i t o ra c c e l e m e t e rh a sa l s ob e e nd e s i g n e d i n c l u d i n gi t sc o r ec e l la n dt h eo v e r a l ll a y o u t f i r s t l y , at w o s t a g es t r u c t u r ef o rt h eo p a m pi sp r e s e n t e da f t e rc o m p r e h e n s i v e c o m i d e r a t i o n so nc h a r a c t e r i s t i c sl i k eo 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 h ，p h a s e m a r g i na n ds e t t l i n gt i m e t h e nt h ei n p u ta n do u t p u tt o p o l o g i e sh a v eb e e nd e c i d e db y c o m p a r i n g d i f f e r e n ts t 期l c t i l r ea v a i l a b l ef o rt h i sp u r p o s e d u r i n g t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ec o r ec e l l ，at r i m m i n gc o n t i n u o u st i m e c o m m o n - m o d ef e e d b a c ks t r u c t u r eh a sb e e np r o p o s e dt ot r i md co f f s e ta n dm i l l e r c o m p e n s a t i o nh a sb e e n u s e dt ot r i mp h a s em a r g i nt om e e tc i r c u i td e m a n d a tl a s t , u s i n gt h ea d v a n c e de d at o o lc a d 懈a n dm m0 3 5 1 x mb i c m o sp r o c e s s m o d e l ，t h et y p i c a lc i r c u i tc e l l sa r es i m u l a t e db ys p e c t m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e o p e n - l o o pg a i n ，u n i t - g a i nb a n d w i d t h ，a n dp h a s em a r g i na l e1 2 1 8 d b ，8 4 8 m h z ，7 8 6 。 r e s p e c t i v e l y , a tt h ec o s to fap o w e rd i s s i p a t i o no f4 3 6 5 m w t h em o d u l ea p p l i e si b m o 3 5l amb i c m o sp r o c e s s ，t h ef i n a lc h i pa r e ac o n s u m p t i o no ft h eo t ac i r c u i ti s2 2 0l a m 1 8 0um t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eh i g ho p e n - l o o pg a i nf u l l yd i f f e r e n t i a lo p a m p s a t i s f i e s ( e v e ne x c e e d s ) t h ep a r a m e t e r ss e tb e f o r e h a n d a r e rs l i g h tm o d i f i c a t i o n , t h i s c i r c u i th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oc a p a c i t o ra c c e l e m e t e r k e y w o r d s ：c l n o sf u l l y d i f f e r e n t i a l o p a m p ，h i 曲g a i n ，c a p a c i t o ra c e l e m e t e r , c o m m o n - m o d ef e e d b a c kc i r c u i t 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。 知叶年乡月；日 关于论文使用授权的说明 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) e tg q ：b 哆年月；日 第一章引言 1 1 研究背景及意义 第一章引言 自从1 9 5 9 年在美国德州仪器公司和西屋电器公司诞生了世界上第一块集成 电路以来，集成电路一直以惊人的速度发展。其发展经历了小规模i c ( s s i ) ，中规 模i c ( m s i ) ，大规模i c ( l s i ) ，超大规模i c ( v l s i ) 和特大规模i c ( u l s i ) 五个不同的 阶段。功能也从单一模块的集成发展到现在的片上系统集成( s 0 c ) 。集成电路的 制造工艺也发展到深亚微米阶段。集成电路的设计方法也发生了革命性的变化， 印a 工具的出现大大缩短了电路的设计周期。 随着半导体集成电路产品的种类越来越多，集成电路被应用到社会生活的各 个领域，极大地影响和改善了人们的生活。但是伴随着一些热门行业如计算机、 多媒体、数字信号处理、通信等等的发展，对集成电路性能的要求也越来越高， 包括集成度、处理速度、运算精度以及功耗等几个主要方面。这些都给集成电路 的设计制造带来了挑战，同时也带来了更大的机遇。 而要提供更高性能的集成电路，就要求我们在材料、工艺制造、电路设计以 及设计方法等方面进行研究和改进，这是一个非常广泛的课题。在电路设计的方 面，运算放大器( 简称运放) 作为模拟i c 中一个最重要的基本电路单元是我们应 该首先考虑的。至6 0 年代美国仙童( f a i r c h i l d ) 公司发明的第一块集成运算放 大器t , 4 7 4 1 ，运放已经走过了4 0 余年的发展道路，它是构成微小电容检测电路、 模拟滤波器、模拟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、 信号检测和处理、模数和数模转换器等等许多方面有广泛的应用。从市场的需求 来看，根据不同的应用主要分化出通用型、低电压低功耗型、高速型、高精度型 四大类产品。一般而言，通用运算放大器应用最广，几乎任何需要处理模拟信号 的电子系统都会采用运放；高速运算放大器主要用于通信设备、视频系统以及测 试与测量仪表等产品；低电压低功耗运算放大器主要面向以电池供电的便携式电 子产品；高精度运算放大器主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统 等。这些系统的性能在很大程度上都是受到运算放大器性能的影响，甚至于运放 会成为制约其性能突破的瓶颈。 在运算放大器的实际应用中，经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路 电子科技大学硕士学位论文 设计、系统稳定性( 主要是相位裕度) 、系统线性度以及噪声等方面的问题。在驱 动电容负载的应用中，如电容传感器电路以及模数转换电路特别是高速高精度模 数转换电路中，运放的不同指标( 如功耗、速度、噪声以及精度) 之间的平衡是 一个非常棘手的问题。 因此，认真研究运算放大器的基本结构，通过对电路性能的研究分析，提出 改进方法，设计出性能更优越的运算放大器电路基本单元，对提升系统的总体性 能具有十分重大的意义。 本项目对应研究的电容式传感器为差分电容式加速度计结构，这种结构是具 有上中下( t o p ，c e n t e r , b o t t o m ) 三极板构成上下两个电容。由于两个差分电容变化 范围都非常小，最大变化一般只有几十飞法( 佰) ，因此电容式传感器检测电路处 理的信号都比较小，所以对运放的选用提出了更高的要求( 高增益、低噪声) 。又 由于差分处理模式系统的噪声会更好，所以本文就是在此背景下对c m o s 全差分 运算放大器技术展开研究。全差分运算放大器，就是具有差分输入和差分输出的 运算放大器，与单端输出的运算放大器相比，全差分运算放大器在输出动态范围、 电源抑制比和应用的灵活性上，有着很大的优势，因此广泛地应用于各种集成电 路中，如a d 和d a 转换器、滤波器等模拟信号处理电路中，市场应用前景广阔。 随着集成技术的发展，对全差分运算放大器的性能提出了高增益，高精度，高速 度，低功耗，低噪声，宽频带，大功率等更高的要求。如何在电源电压不断下降， 器件沟道长度不断减小的情况下，根据实际要求设计实现高性能的全差分运算放 大器成为了当今i c 领域一个重要的课题。作为系统单元核心模块，它的理论依据 也具有广泛的代表性。开展对它的研究，在理论上为设计研究a d ，d a 转换器， 滤波器，r f 射频电路等系统模块提供技术积累和探索；在工艺上结合现有的主流 s i c m o s 工艺，为所设计运算放大器提供试验依据。 1 2国内外研究动态 国际上各著名大学，实验室和i c 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。a l f i oz a n c h i 、f r a n kt s a y 等人2 0 0 5 年发表的论文a1 6 - b i t 6 5 一m s s3 3 - vp i p e li n ea d cc o r ei ns i g eb i c m o sw i t h7 8 一d bs n ra n d1 8 0 一f s j i t t e r 中3 3 v 的供电电源，在负载为3 p f 的时候可以达到2 5 g h z 的单位带宽，而 直流增益达到1 l o d b 。o l u j i d ea a d e n i r a n 、a n d r e a sd e m o s t h e n o u s 等人2 0 0 6 年发表的论文a nu 1 t r a e n e r g y e f f i c i e n tw i d e - b a n d w i d t hv i d e op i p e l i n ea d c 2 第一章引言 u s i n go p t i m i z e da r c h i t e c t u r ep a r t i t i o n i n g 中提到的运算放大器指标为直流 增益9 2 d b ，单位增益带宽5 6 0 m h z ，相位裕度6 2 度，转换速率4 5 0 v 螂，电源电压1 5 v ， 输入等效噪声8n v h z 嘲。b y u n g - g e u nl e e 、b y u n g m o om i n 、g a b r i e l em a n g a n a r o 和j o n a t h a nw v a l v a n o 等人在2 0 0 8 年的论文a1 4 - b1 0 0 _ m s sp i p e l i n e da d cw i t h am e r g e ds h aa n df i r s tm d a c 中所设计运放的在所有的条件下都可以达到9 0 d b 以上，整个运放的功耗到达了3 2 m a 跚。j a i m er a m i r e z - a n g u l o 和m i l i n d - s u b h a s h s a w a n t 等在2 0 0 6 年合作发表的论文n e wl o w - v o l t a g ec l a s sa b a bc m o so p a m p w i t hr a i l - t o r a i li n p u t o u t p u ts w i n g 中运放的工作电压达到了1 8 v ，共模 抑制比在4 0 - 5 0 d b 之间嘲。近几年，美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c ec o r p o r a t i o n ) 推出的a d 8 0 0 0 、a d 8 0 0 3 等一系列适用于视频处理的高速运算放大器，其带宽则高 达1 0 0 0 m h z 以上，而噪声可以达到卜4 n v h z 嘲。从这些研究成果中，我们可以看 到国际上成熟的产品和实验室所达到的水平。 在国内，浙江大学、兰州大学、哈尔滨工业大学以及中电第5 8 研究所等大学 和科研机构都在进行相关方面的研究，不同工艺如b i c m o s ，c m o s 技术也都有 所涉及。2 0 0 8 年，浙江大学葛康康等人设计基于0 5p mc m o st 艺的运算放大器。 在单电源3 3v 电压下，运放的开环直流增益为6 5 5d b ，单位增益带宽积达3 5 0m h z 以及2 7y 的输出摆幅嘲。2 0 0 9 年，兰州大学车红瑞等人设计的运算放大器采用 了b i - c m o s 工艺，在3 3 v 电压下实现了2 1 g h z 的单位增益带宽，直流开环增益6 1 d b ， 功耗1 6m w ，输出摆幅达到2 v ；在2 p f 的负载电容下，建立时间小于0 6 n s ，转换速 率1 2 0 0 v 阳硼。2 0 0 8 年，中电第5 8 研究所林武平等设计的运算放大器在负载电容 为2 p f 情况下，该运算放大器具有开环直流增益为8 4 7 d b 、单位增益带宽达 4 4 8 m h z 、相位裕度为6 7 0 、闭环小信号建立时间为3 9 n s 嘲。 综上所述，国外对于全差分运算放大器的研究设计生产已经进入了相对成熟 的阶段，而国内在这方面的水平还比较有限，与国外水平还有较大差距。要实现 自给自足还需要大量的研究和开发。因此，加强包括结构和设计理论的基础技术 研究是当务之急，对于国家安全具有现实而深远的意义。 1 3 研究现状 2 0 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。这些 努力，企图制造一种“理想”的运放，例如，具有非常高的开环电压增益( 1 0 5 ) ， 非常高的输入阻抗以及非常低的输出阻抗。但却以牺牲其它性能为代价，例如速 电子科技大学硕士学位论文 度、输出摆幅和功耗。 与此相反，由于制造工艺和设计方法的巨大飞跃，今天更少的是仅仅在一个 设计里面设计单独的运放，更多的是设计一个有完整功能的电路( 如电容传感器 检测电路、模数转换器等等) ，所以我们在设计的时候就认识到指标间的折中关 系，这种折中使我们在设计的时候可以定制一个满足我们要求的运放从而减小设 计的冗余。这样导致我们现在的设计会设计非常多的、不同指标的运放。所以详 细研究不同结构的运放非常的有必要。 运算放大器的研究主要集中在以下几个方面： ( 一) 多级运放的补偿 由于集成电路工艺的不断发展，数字集成电路的规模越来越大，为降低成本 和提高集成度，集成电路的特征尺寸也就越来越小，从而使得工作电压也在不断 降低。上面我们提到现在的设计更多面向于硬件，包括数字、模拟以及射频等集 成的片上系统，所以导致模拟集成电路的工作电压从以前的1 2 v 逐渐降低到了现在 的3 v 和1 5 v 。低工作电压对集成放大器设计带来的挑战是多方面的，包括输出摆 幅、增益以及稳定性等方面的问题，这其中主要的问题集中在多级放大的补偿上。 工作电压的降低使得以前主要靠级联结构来提高增益级输出电阻的办法变得不合 实际。依靠增2 1 m o s 管的宽来保持放大器增益的方法也与降低成本和芯片面积的发 展方向相悖( 这种方法在开关电容电路的设计上会带来像m o s 管寄生电容增加等其 他的问题) 。目前较为流行的提高放大器开环增益的办法是多级放大。多级放大 比起以前的单级、两级放大来会有更多的零点、极点。由于运放都是以反馈方式 工作，从控制系统来讲更多的零点和极点对于反馈系统来讲不是一个好主意，这 个会使系统的稳定性变得比较难于控制。但是运放的增益是首先需要考虑的问题， 所以如何分布这些零点、极点即补偿问题是被研究得很多的问题。多级运放的补 偿技术很多，但是都是在原理上基于利用电阻、电容使运放传输函数的极点分裂 和零极点互相抵消。目前的补偿方法主要有以下几种：s i m p l em i l l e r c o m p e n s a t i o n ( s m c ) 、m u l t i p a t h z e r oc a n c e l l a t i o n ( m z c ) 、n e s t e dm j l l e r c o m p e n s a t i o n ( n m c ) 、m u l t i p a t hn m c ( f n m c ) ，n e s t e dg m _ cc o mp e n s a t i o n ( n g c c ) ， 和d a m p i n g _ f a c t o r _ c o n t r o lf r e q u e n c y c o mp e n s a t i o n 9 1 1 0 1 n 1 1 。这些方法在 功耗、稳定性、芯片面积、转换速率、带负载能力、直流增益、所需最低电压、 鲁棒性上各有优劣。 ( 二) 带宽( b a n d w i d t h ) 和转换速率( s l e wr a t e ) 提高放大器的一3 d b 带宽和转换速率( s l e wr a t e ) 一直是模拟集成电路研究的 4 第一章引言 热点。带宽和转换速率这两个指标在高速模数转换器中变得尤为重要。在中低频 的线性模拟集成电路领域，对高速宽带放大器的研究主要集中在以下几个拓扑结 构上： 1 、 电流反馈结构n 羽。电流反馈结构的主要作用是提高放大器的转换速率。 其基本思想是让输入差分电压与转换电流成正比。电流反馈结构发展较早，目前 依据电流反馈原理的拓扑结构也较多。但电流反馈结构需要输入管的精确匹配( 这 个在工艺上不容易做到的) ，否则会产生严重的非线性。 2 、电压反馈结构。电压反馈结构是近十年来比较受关注的技术。电压反馈 结构有一些电流反馈结构所没有的优点，如低增益时的低噪声、可以接成反相积 分器等。电压反馈结构可以将放大器的带宽近似扩展到放大管的截至频率( f t ) 。但 是这种结构存在转换速率的限制，因此一般要求互补型的输入级。 3 、当放大器作为单位增益缓冲器时，还可以采用部分特殊的拓扑结构，使 外接的反馈网络或者电容不至于影响缓冲器的单位带宽。 ( 三) 运放的环境适应性和后期矫正方法 1 、由于电路工作时候的环境( 主要是温度和供电电源) 的不稳定，电路的 输出会发生变化，而在有些特殊的应用上这种稳定要求会非常严格( 特别是军用 级的应用) ，所以采用什么方法进行补偿也是一个非常重要的问题。 2 、由于制造会导致器件之间的不匹配，所以加工后的一些指标会发生非常 大的变化，如电路的失调( o f f s e t ) 。在有些应用中可能会要求有可以外部调整 这些指标的配置，所以这也是我们需要考虑的问题。像a d 8 6 2 8 这样的放大器，已 经将其失调电压指标优化到几微伏( | lv ) 。 ( 四) 各种新工艺下的运放设计 在各种新型拓扑不断涌现的同时，模拟集成电路的制造工艺也在不断发展中。 从早期单纯的双极型技术到c m o s 技术再到现在的b i - c m o s 、b i j f e t 、b i c m o s d m o s ( f i o b c d ) 等相容型技术，制造工艺的发展也对集成放大器的设计提出了新的要求。 如何充分利用各自工艺的优点，设计出满足各种要求的集成放大器成为又一个研 究热点。 1 4 发展趋势 近年来消费电子( 包括视频等应用) 、通讯、网络等应用领域的快速发展使得 高速运放成为焦点。由于处理器等数字模块速度的大幅飙升，使得模数转换器的 电子科技大学硕士学位论文 速度也相应的得到大幅提高( 这样提高了信号的带宽) ，这就需要运放处理的信号 带宽越来越宽。所以高速运放将是以后比较重要的发展方向。 个人移动通讯的飞速发展对便携式移动终端设备的需求快速增长，这些产品 对于工作电压和功耗要求比较高。所以低压、低功耗的运放也会是以后的发展方 向。一般定义下的低电压运放，指工作电压低于2 5 伏特，而所谓的低功耗运放， 通常指供电电流低于l m a 。主要的应用面向于音频处理。 同时高精度运放也是以后发展的方向。高精度运放一般指失调电压( o f f s e t ) 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片上系统，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。所以单独集成的高精度运放还是会有很广泛的应用。 同时为了应用工程师更方便的选择运算放大器，运放还有一个比较重要的发 展方向，即运放的精确建模。上面我们提到运放的广泛应用，但是我们究竟使用 什么指标的运放可以刚好满足我们的设计，这才是每个应用和系统工程师都想知 道的。如果我们可以建立一个精确的运放模型，那么对于实现采用至顶向下 ( t o p - d o w n ) 的方式设计模拟电路将是一个巨大的推动。 目前常见的全差分运放结构简单的讲有单级全差分与两级全差分两种结构。 单级全差分又有简单的全差分、套筒式共源共栅和折叠共源共栅等几种。简单的 全差分结构具有较大的输出摆幅，但由于增益很低使得电路精度及线性度受到限 制，功耗也较大，电源抑制比( p s r r ) 和共模抑制比( c m r r ) 差n 劓；套筒式共源共栅结 构带宽较宽，速度较快，增益较大，噪声也比较小，且在各种放大器结构中功耗 最低n 副，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 和输出短路作为缓冲器使用；相对套筒式结构而言，折叠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n 町n 刀。简单的两级结构运放 的增益也不是特别高。 1 5 本课题主要任务 运算放大器的速度、功耗和增益等性能参数中，速度和增益是运算放大器最 重要的两个性能指标。高速要求高的单位增益带宽和一个能够实现快速建立状态 6 第一章引言 的运放，而高精度要求比较大的开环直流增益n 町。本课题预期的性能指标如表1 - 1 所示。 表卜1 该课题的预期目标 电源电压5 v 开环直流增益 1 l o d b 单位增益带宽 6 m h z 相位裕度 6 0 0 输出摆幅 1 v 失调电压 切】 ( 3 2 ) 另外其优势还在于对电压电平的选择，因为它“层叠 ( s t a c k ) 一个共源共 栅管。具体电路拓扑见图3 - 2 。 图3 2 折叠式共源共栅运放 同时，折叠式共源共栅运放也有其自身不可避免的缺点。式( 3 - 2 ) 的增益比 类似的套筒式共源共栅的增益小2 3 倍。由于偏置电流要供给输入管和共源共栅 管，因此通常会消耗更多的功耗，驱动电压过高。此外，它还有电压增益较低、 极点频率较低和噪声较高等缺点。折叠式共源共栅运放也可以包含n m o s 输入器件 和p m o s 共源共栅晶体管。 折叠式共源共栅运放比套筒式结构得到更广泛的应用。因为输入输出可以短 1 6 第三章全差分运放结构设计与分析 接，而且输入共模电平更容易选取。 3 1 3 增益提高运放 一级增益结构的增益提高运放( 也叫增益自举放大器，g a i n - b o o s t i n g ) 将电 压一电流型反馈技术运用到共源共栅运放的负载电流源上，因此可获得很高的增 益，如图3 - 3 所示。在获得高增益的同时，其速度和功耗指标均受到了限制，这 是增益提高运放的主要缺点。 陌灯 ，丁 凰l r d n l 一 - q il 一 - f 蛙_ 2 i 黾 麓6 爿卜j 圪l r tr e 焉凰 爿1 i 辛 觑爿 p 叫 继小 1 1 fl 图3 - 3 增益提高运放 综上所述，我们可以对套筒式共源共栅运放、折叠式共源共栅运放、增益提 高运放三种运放结构各方面的性能做一个比较，见表3 - 1 。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 1 各种不同一级运放性能比较 运放结构增益输出摆幅速度功耗噪声 套筒式共源共栅中中高低低 折叠式共源共栅 中中 高中 中 增益提高运放两 中中 高中 由表3 - 1 可以看出，一级运算放大器结构不能达到在获得高速高增益的前提 下，同时具备大的输出摆幅和快速驱动的要求。 3 2c m o s 全差分两级运放 上面三种运放均呈现出一级的特性，使输入对管产生的小信号电流直接流过 输出阻抗。因此这些电路的增益被限制在输入对管的跨导与输出阻抗的乘积。同 时，这些电路的共源共栅提高了增益而限制了输出摆幅。在一些应用中，共源共 栅运放提供的增益和( 或) 输出摆幅均不满足要求。为此，可以使用两级运放的 结构：第一级提供增益，第二级提供大的摆幅。与共源共栅运放相反，两级结构 把增益和摆幅的要求分开处理。如图3 - 4 所示两级运放结构。 高增益大摆幅 一 一 1第一级第二级 一 一 图3 - 4 两级运放 两级运放的简单实现如图3 5 所示。 第三章全差分运放结构设计与分析 此种结构的第一级小信号增益为 4 t2 i - - g 瓦m l2 丽- 2 9 , , l ( 3 3 ) g 凼2 + g 凼4m t 如+ j ，气气、 第二级小信号增益为 4 z2 - - g 瓦i n 6 2丽-gmlgds6-i-1 6 t 、一3 卅 g 出7l + 勺j - 4 、 总的增益为 么v = 4 - 4 z2 蕊- - 2 9 m l 蕊- g i n 6 5 巧瓦- 2 瓦g , i g 页m 石6 9 d s 2g d s 4g d s 6g , z , 7 1 丽 ( 3 5 ) +十 。盯6 【如+ 八九+ j r 3 s 、 由式( 3 5 ) 可估算出直流开环增益大只有8 0 d b ，这还不能满足电路系统的 要求。所以在综合分析以上各种运放结构后自主设计了一种能满足本项目性能指 标耍求( 高增益) 的一种两级运放结构，如图3 6 所示。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 6 两级运放 两级运放主要由输入级、输出级、共模反馈电路、频率补偿电路和偏置电路 组成。以下就图3 - 6 所示结构进行分析。 3 2 1 输入级设计 该全差分运放为了减小噪声采用p m o s 管差动输入结构，如图3 7 所示。其中 m 1 、m 2 为差分输入管，m 3 、m 4 作为第一级的有源负载，m 5 为尾电流源。 第三章全差分运放结构设计与分析 v c c = 图3 7p m o s 差动输入级电路 对于差模交流小信号而言，电源v d d 和电流源都应视为“地电位”。由于电路 完全对称，现只分析其单边差动小信号增益，单边小信号等效电路如图3 - 8 所示。 g 埘l 2 图3 - 8 输入级单边小信号等效电路 所以第一级增益为 2 譬，) 2 而2 9 碉i n l ( 3 - 6 ) 其中g 州。为输入管跨导，1 5 为尾电流， 、五分别为m 1 与m 3 的沟道调制系 数，表示给定的增量所引起的沟道长度的相对变化。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 3 2 2 输出级设计 由于套筒式结构具有较大的增益，因此为了提高电路增益，在设计时电路的 第二级采用了套筒式结构，如图3 - 9 所示。： 叫 圪2 i 叫 圪l i 1 圪 _ 。_ 。_ _ _ 一一 图3 - 9 套筒输出级电路 单边增益等于输入管的跨导乘以输出电阻的大小。输出电阻等于从输出点往 上和往下看到的共源共栅单元输出电阻的并联。 f4 | - g m r 。盯2g 。- 僻训ti ir 讲“z ) ( 3 - 7 ) 其中。、r 。哪为共源共栅单元输出电阻，表达式为 r 。叫l = 1 + g 。5 + g r n b 7 k 5 k 7 + r o s g , s r 0 5 r 0 7 ( 3 8 ) r 。叫：= b + g 。+ g 。 k ， t o 。+ r 0 3 g , 3 r o ；r o 。( 3 - 9 ) 由上面三式可以知道此种结构的两级运放比简单的两级运放增益可以大1 0 0 倍即4 0 d b 左右。 第四章c m o s 全差分共源共栅两级运放关键技术 第四章c m o s 全差分共源共栅两级运放关键技术 在很多系统中为了确保系统的工作稳定，运放设计采用了极点一零点抵消的 密勒电容补偿技术，但是由于该技术引入了电阻致使补偿的密勒电容很小，这就 加剧了寄生电容的影响，还有一个缺点是电阻在集成的时候由于制造工艺的不一 致性导致阻值差异会比较大，所以本运放考虑到只是用于低频范围就采用了简单 的密勒电容补偿技术。并且，自主研发了可以微调的连续时间共模反馈电路，用 以稳定差分输出共模电压。 4 1密勒电容补偿电路 4 1 1 密勒电容补偿技术 g m l v i n 绍 i；r l 3 ic l t a o c 8 4 7 7 m 一1 7 2 1 d t o ) ( b ) 补偿前的相频特性曲线 图5 2 相频特性曲线 图5 2 给出的是运放的相频特性曲线。由图( a ) 知单位增益带宽对应频率点 3 6 第五章仿真验证、版图设计及应用 对应的相位为一1 0 1 3 。，故相位裕度( p h a s em a r g i n ) 为 图( b ) 为未经补偿前的相频特性曲线图，图中可见没有补偿时相位裕度为 8 6 。，因此所设计的运放经过密勒电容补偿后，运放才满足了系统稳定的条件。 5 1 3 转换速率分析 在对该运放电路转换速率进行模拟仿真的时候，整体运放所加的输入激励为 阶跃信号( 由于模拟仿真工具的限制不能得到理想的阶跃信号，于是就加了一个 上升时间( 1 0 p s ) 极短的斜坡信号) ，仿真结果如图5 - 3 所示。 h p r e s s i o 晦 ；0 。 ： - 一”“ ：! ：! 1： ；一 ， i ； lj 。! 一：i i：!：= = = ：! ：i j ：f ： 八 ： ，、厂7 一 f 、v v 一 八 厂广、- v 、 一 v u 7 叫眦蝇 j n 口 ， 1 0 0l 图5 - 3 转换速率仿真结果 由图可知，该运放的转换速率为5 7 6 4 m ，由于运放工作时处理的信号频率较 低，该指标已能满足要求。 3 7 电子科技大学硕士学位论文 5 1 4 输出摆幅分析 o cr e s l 啪s e o r ，v o g”。5 7 4 可! 篡? 。：羔一v o n 。!一1 一； 一 - - - - 、 j 帕2 - ： 、。l ； 二j ； 、， | r $ 二： ，_ “_ ：； 一。j 。， ：i ”j jf 7 ，： 二： 4 j ：= _ 二“二一= ：? “一 j 。 o e r i v ( c f i ： | i j 、 、? ! 。? 。f 2 62 7 d x l d v 2- i 9 9 9 9 7 7 s 2s- 1 0 0 图5 4 输出摆幅仿真结果 由于应用该运放的电路系统对线性度要求较高，所以对工作电压范围内运放 的线性度的要求也相对较高。 5 1 5 噪声分析 下图5 - 5 为此次运放的等效输入噪声仿真结果，在我们关心的频带( i k h z 附 件) 范围内只有4 0 n v 磊i ，已能满足设计要求。 第五章仿真验证、版图设计及应用 一v n f n 0 i ； 。 =_ ； ! i ：l | |： ：i ， l ；1 ：； 卜； i ：! tl c； ； 一t ； ： i ：； ! 1 ；i j ：，： ! | 0 一一 0 ：； 、z ：j ： j ；_ 墨 ：；一； + 十：一 p ： ； ： l ：+ 、 二，一j ，j 。 f _ 一l ： j i 。 ，j 一：一、 m “l 舯7 i h t3 9 9 “w r f s q r t c 憾 j ；。 图5 - 5 等效输入噪声仿真结果 5 2 不同工艺、电源电压及温度下仿真结果汇总 由于集成电路制造工艺是一个呈正态分布的随机过程，所以在我们设计电路 的时候不仅只考虑常规工艺状态还要考虑到最好与最坏工艺、电源电压在一个允 许的误差范围以及工作环境温度对电路工作状态的影响。表( 5 - 1 ) 为不同工艺状 态、电源电压及工作环境温度下的一些主要指标的仿真结果。 表5 - 1 不同工艺状态、电源电压及工作环境温度下的主要性能指标 工艺角 t tf fs s 电源电压( v ) 55 54 ，5 温度( 摄氏度) 2 5- 5 51 2 5 开环直流增益( d b )1 2 1 81 2 3 5 1 1 7 9 单位增益带宽( m h z )8 4 81 0 97 2 相位裕度( 度) 7 8 67 97 8 总电流( 微安) 8 7 39 8 5 78 7 1 6 失调( m y )2 67 电子科技大学硕士学位论文 表( 5 - 2 ) 是该运放各主要m o s 器件的具体设计尺寸 表5 2 对应图3 6 中各主要管子设计参数 5 3 版图设计 m 1 m 22 0 0 2m 8 m 9 1 0 0 1 m 3 m 44 0 0 5 m i o m 1 11 0 0 1 m 56 0 0 3 m 1 2 m 1 31 4 0 o 8 m 6 m 7 1 0 4 1 集成电路的版图( l a y o u t ) 定义为制造集成电路时所用的掩模上的几何图形。 因此在整个集成电路设计过程中，版图设计是其中非常重要的一环。 5 3 1 版图设计规则概述 虽然每个晶体管的宽度和长度是由电路设计决定的，但版图中其他大多数尺 寸都要受“设计规则”的限制。设计规则就是不管制造工艺的每一步出现什么样 的偏差都能保证正确制造晶体管和各种连接的一套规则。大部分设计规则都可以 纳入以下描述的四种规则之一。 ( a ) 最小宽度掩模上定义的几何图形的宽度( 和长度) 必须大于一个最小值， 该值由光刻和工艺的水平决定。 ( b ) 最小间距在同一层掩模上，各图形之间的间隔必须大于最小间距，在某 些情况下，不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小间距。 ( c ) 最小范围为了确保即使出现制造偏差时器件或孔始终处于某一区域内， 就会让对应的层次在其周围留有足够的余量。例如：为了保证接触孔位于多晶硅 与第一层金属的正方形区域内，应使多晶硅与第一层金属均在接触孔周围留有足 够的余量。 ( d ) 最小延伸有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度。例 如，为确保晶体管在有源区边缘能正常工作，多晶硅栅极必须在有源区以外具有 最小延伸。 除上面所说的四种最小尺寸外，还要遵循一些最大允许尺寸。例如，为避免 “起皮 ( 1 i f t o f f ) 问题，长金属线的最小宽度通常应大于短金属线的最小宽度。 除了上面讲到的些最小最大尺寸规则外，我们对输入m o s 管还要考虑“天线效 第五章仿真验证、版图设计及应用 应一等。 5 3 2 模拟电路的版图设计 在主流c m o s 工艺中必须采用各种设计规则的目的，是在适当提高电路设计质 量的同时最大程度地提高数字集成电路的成品率。另一方面，对于模拟系统，则 要采用许多版图方面的预防措施，以便将诸如串扰、失配、噪声等效应减小到最 小。 在运放设计中，为了增加跨导g - 以提高带宽常常会将输入m o s 管的宽长比设 计的很大。为了减小s d 结面积和栅极电阻，设计版图的时候都会将沟道宽度大 的晶体管采用“折叠或“叉指结构形式。一般来讲，每一个晶体管的宽度的 选取要保证该晶体管的栅电阻小于跨导的倒数。在低噪声电路中，栅电阻必须是 1 g 的1 5 到1 1 0 。 由于全差动电路中的不对称性会产生输入参考失调电压，因而限制了可检测 的最小信号电平。尽管一些失配不可避免，但如果不充分考虑版图中的对称性， 就可能产生大的失调电压。对称性设计还可以抑制共模噪声和偶次非线性效应。 我们关心的器件及其周围环境都必须进行对称性设计。 对于器件的匹配，我们不仅要考虑让对称的器件距离尽可能的近，还要让他 们在版图上的方向一致即栅极平行以避免栅阴影效应。对于器件本身结构所固有 的不对称性可以通过多加“虚拟 相同器件的办法加以改进。例如图5 - 6 ，为了使 m 1 和m 2 管周围的环境几乎相同，在旁边增减了两个与m 1 和m 2 同类型的管子。这 两个管子的g 、s 、d 最好是都接在他们的b 端。 虚拟管m l地 虚拟管 图5 - 6 增加虚拟管以提高对称性 对于大的晶体管对称性就变得更加重要，