电子齐纳二极管轨到轨运算放大器设计

电子齐纳二极管电子齐纳二极管 轨到轨运算放大器设计报告轨到轨运算放大器设计报告 姓名 学号 指导教师 一一 摘要摘要 本次设计采用 SMIC 0 18 工艺 本文档分析了电子齐纳二极管 Rail to Rail 运放工作原理 根据设计指标完成了电路所有参数的设计 最后给出了电 路的前仿结果 版图信息和后方结果 2 电路结构电路结构 MD1MD2 MD3 MD4 MD5 MD6 MD7MD8 MD9 MD10 MD11 MD12 MD13 MD14 MD15 MD16 ME1 ME2 ME3 ME4 ME5 ME6 ME7 ME8 M2M3M4 M5M6 M7 M8M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 图 1 齐纳二极管轨到轨运放电路拓扑结构 1 输入级结构分析 输入级结构分析 M2M3M4 M5M6 M7 M8M9 M10 M11 M12 M14 M15 M16 VIN M13 Vbias 图 2 电子齐纳管轨到轨输入级 由于齐纳二极管一旦被击穿 尽管反向电流急剧增大 但 PN 结两端的电 压 Vz 几乎可以维持不变 一个 MOST 无法实现与之同样的尖锐的拐角 但是 增加一些 MOST 可以在一定程度上使拐角尖锐些 称为电子齐纳二极管 如图所示 当共模电平在电源轨或者地轨时 差分互补输入管只有 NMOS 或 PMOS 工作 只要通过偏置使上下尾电流保持一致 通过设定管 子的宽长比 可以使两种情况下增益相等 当共模电平变化到使两个输入差分 对管都同时导通时 要使轨到轨输入级在共模电平变化时跨导恒定 即 12 p n nngstppgst np gmgmct W W KVKVct LL 若通过设置 N 管和 P 管宽长比使 p n np np W W KK LL 则 ngstpgst VVct 由于 Vtn 与 Vtp 基本保持不变 则 gsngsp VVct 所以引入 M9 M14 组成电子齐纳二极管 M9 与 M10 为两个互补的二极管 链接的 MOS 管 决定了齐纳电压 Vz 他们的宽长比分别于输入晶体管的宽长 比相同 M15 的宽长比是 M14 的 8 倍 M11 流过了了一部分尾电流 所以流 过 M11 的电流等于流过 M19 的电流 因为 M15 和 M17 有同样的矿场比 流 过二极管链接管的电流就是一个常数 所以 落在这两个二极管上的压降就保 持了恒定 M13 的作用限制 M14 的漏电压 若输入共模电平很大 M14 的漏 电压超过一个特定的值时 被特定电压偏置的 M13 就会导通然后传输 M14 的 电流到 NMOS 输入对的尾电流 若没有 M13 当共模电平接近一个电源轨时 则 M14 的漏电压就会很接近电源电压 这时 M4 会增加尾电流中的电流 会导 致输入管的跨导变化很大 2 输出级分析 输出级分析 输出级根据项目要求采用 AB 类输出级 其电路拓扑结构如下 MD1MD2 MD3 MD4 MD5 MD6 MD7MD8 MD9 MD10 MD11 MD12 MD13 MD14 MD15 MD16 ME1 ME2 ME3 ME4 ME5 ME6 ME7 ME8 图 3 采用 AB 类结构的输出级电路 对于 NMOS 管 电路中蓝线部分 MC12 M2 MC15 和 MC16 构成跨导 线性环路 满足如下关系式 GS ME4GS ME5GS MD12GS ME2 VVVV 对于 PMOS 管 电路中红线部分 MC11 M1 M14 和 M13 也构成跨导线 性环路 满足如下关系式 GS ME7GS ME8GS MD11GS ME1 VVVV 这两个环路为保证 AB 类的输出提供了稳定的偏置 三 设计指标三 设计指标 设计指标带宽最大化 工艺0 18 um 或 0 13um 工艺 负载电容 10 pF 共模输入电压 VSS VDD 输出动态范围 0 1 VDD VSS 0 9 VDD VSS 静态功耗 2mW 开环直流增益 80 dB 单位增益带宽Maximize 相位裕量 60 degree 转换速率 30 V us 共模抑制比 60dB 负电源抑制比 80dB 四 原理分析四 原理分析 1 直流分析直流分析 1 总功耗总功耗 该电路的总功耗为各个支路电流之和 主要的电流部分消耗在第一级差分 输入 两个 Cascode 支路及输出级的支路上 2 共模输入电压范围共模输入电压范围 由于采用了并联的 NMOS 及 PMOS 输入差分对 输入共模电压范围可达 到轨到轨 即 in com VSSVVDD 3 输出动态范围输出动态范围 考虑到输出级的 PMOS 及 NMOS 管可以工作在线性区 极端情况下 且 负载为电容 故输出动态范围为轨到轨 即 out com VSSVVDD 2 交流分析交流分析 1 开环直流电压增益开环直流电压增益 参照图 1 及图 3 可知 整体电路的第一级为 folded cascade 结构 其小 信号电压增益为 V1m inout1 AgR 其中 m in g 为输入管的跨导 out1 R 为第一级的 输出阻抗 其大小为 out1mc3 oc3o inoc1 Rgrrr 第二级为共源放大电路 其小信 号电压增益为 V2m2out2 AgR 其中 out2o1o2 Rrr 故电路的总增益为 Vm inmc3 oc3o inoc1m2 o1o2 Aggrrrgrr 2 单位增益带宽单位增益带宽 由于是两级放大电路 并且输入级采用了 cascode 结构 故补偿方式为 cascode 密勒补偿 单位增益带宽为 m in 1 2 2 g GBW C 3 相位裕度相位裕度 显然 该电路的次级点为 m2 nd L 2 g f C 为满足相位裕度的要求 应将次级 点设计在 2GBW 以外 4 转换速率转换速率 分析两级运放电路 可知限制电路转换速率的因素包括电路内部节点和外 部节点 其中内部转换速率为 DS C1 int C I SR C 外部转换速率为 DS1DS C1 ext L II SR C 故整个电路的转换速率为 DS C1DS1DS C1 CL min III SR CC 五 电路设计及仿真五 电路设计及仿真 本次设计采用 SMIC 0 18um 工艺实现 电源电压 1 8V 利用 Candence 的 Virtuoso 软件编辑原理图及版图 下面给出电路图及 testbench 电路及仿真结 果 直流特性直流特性 1 静态功耗 通过 dc 仿真得到电路的静态电流为 1 1mA 满足设计要求 2 第一级 Gm 和 对输入对管 gm 之和通过参数扫描得到以下图形 跨导之和平均值为 1 06mS 归一化 gmtot 误差为 9 交流特性交流特性 1 直流开环电压增益 直流开环电压增益 GBW 及相位裕度及相位裕度 对输入共模电平扫描 得到的仿真结果如下 可以看出 低频 Gain 的变化范围为 91dB 96Db GBW 的变化范围为 15Mhz 17Mhz 由图可得 相位裕度的变化范围为 67 78deg 2 共模抑制比 共模抑制比 对输入共模电平扫描 得到的仿真结果如下 可以看出 共模抑制比的变化范围为 90 dB 1KHz 126 dB 1KHz 3 负电源抑制比负电源抑制比 对输入共模电平扫描 得到的仿真结果如下 可以看出 负电源抑制比的变化范围为 86 dB DC 95dB DC 在不同输入共模电平下的交流特性见下表 VCM V Gain dB GBW Mhz PM deg PSRR dB CMRR dB 093 916 477 494 9115 1 0 294 516 477 693 4105 7 0 495 817 076 389 795 5 0 694 316 772 985 889 8 0 892 616 472 591 8110 5 1 092 216 172 592 1109 8 1 291 215 871 091 5121 5 1 492 315 667 093 6103 4 1 692 615 368 794 1106 8 1 892 715 379 194 45126 8 3 瞬态大信号特性瞬态大信号特性 1 转换速率 上升沿仿真结果如下 可以看出 上升 SR 为 34V us 下降沿仿真结果如下 下降沿 SR 为 47V us 五 版图参数提取及后仿五 版图参数提取及后仿 画版图时 电流偏置和输入对管由于需要匹配都采用了叉指中心对称的画 法 其余部分采用一般画法 最终的版图布局如下 利用 Assure 工具参数提取后 进行版图后仿 结果如下 1 直流开环电压增益 GBW 和相位裕度 直流开环电压增益的变化范围为 89 1dB 93dB 与前仿基本一致 GBW 的变化范围为 13MHz 15MHz 与前仿相比有所降低 相位裕度的变化范围为 70 79 度 与前仿相比略有提高 2 共模抑制比 共模抑制比的变化范围为 71 5dB 1KHz 100 3dB 1KHz 与前仿相比 有所降低 3 负电源抑制比 负电源抑制比的变化范围为 68 dB DC 84 dB DC 比前仿有所降低 4 转换速率 上升转换速率为 29V us 下降转换速率为 38V us 与前仿相比有降低 前仿与后仿指标对比如下 指标前仿后仿 开环电压增益91 96dB89 1dB 93dB 单位增益带宽15MHz 17MHz13MHz 15MHz 相位裕度67 78 度70 79 度 共模抑制比90 dB 126dB 1KHz71 5dB 100 3dB 1KHz 负电源抑制比86 dB 95 dB DC68dB 84dB DC 转换速率上升 34V us 下降 46V us上升 29V us 下降 38V us 七 讨论与结论七 讨论与结论 本次设计采用 SMIC 0 18um 工艺 实现了轨到轨输入及输出的运算放大 器 输入级采用电子齐纳二极管的方法进行跨导均衡 效果良好 输出级采用 前馈式 classAB 在接 10pF 容性负载时 有较大的电流驱动能力 瞬态特性 良好 开环直流电压增益 单位增益带宽 转换速率等各项指标均达到了预期 的要求 整体性能基本符合设计目标 这次设计中第一级输入跨导均衡功能比较好实现 个人觉得设计的难点在 AB 类输出中两个线性跨导环的设计 为了是输出管能够在输入共模电平变化时 均能较好工作 参考文献参考文献 1 Willy Sansen Rail to Rail input and output amplifiers Analog PPT 200