采用增益提高技術(shù)的兩級(jí)放大器的設(shè)計(jì)

0 引言

運(yùn)算放大器是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分.高的直流增益無(wú)疑是運(yùn)算放大器重要的設(shè)計(jì)指標(biāo).由于運(yùn)算放大器一般用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)反饋系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)直流增益的大小決定了使用運(yùn)算放大器的反饋系統(tǒng)的精度.在現(xiàn)代CMOS模擬電路中，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的設(shè)計(jì)中，要求運(yùn)算放大器有高的直流增益來(lái)減小其靜態(tài)誤差.折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)可以提供高的增益，大的輸出電壓擺幅，好的頻率特性，而且功耗比較低.

本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種采用增益提高技術(shù)的兩級(jí)放大器：第一級(jí)為在差分輸入單端輸出的折疊式共源共柵放大器中采用增益提高技術(shù)的低電壓電流鏡，以達(dá)到高增益且可提供適當(dāng)擺幅，第二級(jí)采用共源極電路結(jié)構(gòu)以增大輸出擺幅，同時(shí)提供適當(dāng)?shù)脑鲆?在放大器的兩級(jí)之間，采用改善零點(diǎn)頻率的密勒補(bǔ)償技術(shù)來(lái)使電路達(dá)到穩(wěn)定.經(jīng)過(guò)Cadence spectre軟件仿真顯示，該結(jié)構(gòu)直流增益達(dá)到了125.8 dB,相位裕度達(dá)到了61.2°.

1 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電路是在采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的兩級(jí)放大器中，采用增益提高技術(shù)的低電壓電流鏡來(lái)得到高增益.

增益提高技術(shù)利用反饋技術(shù)來(lái)提高信號(hào)通路上的輸出阻抗，可以通過(guò)如圖1所示的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明.該結(jié)構(gòu)通過(guò)電流電壓反饋來(lái)控制M4 源端的電壓，使其保持恒定值，由于放大器M6 的作用，輸出電壓的變化對(duì)M2 漏端電壓的影響很小.通過(guò)M2 的電流變得恒定，從而產(chǎn)生更高的輸出阻抗.由小信號(hào)電路分析可知，該電路的輸出阻抗與傳統(tǒng)的共源共柵結(jié)構(gòu)相比，增加了A1 倍.

其輸出阻抗表達(dá)式為：

2 總電路結(jié)構(gòu)

圖2 為運(yùn)算放大器的總電路結(jié)構(gòu)：第一級(jí)采用PMOS管作為輸入管的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，并且在其增益提高級(jí)采用了增益提高技術(shù)來(lái)提高輸出阻抗，進(jìn)而提高增益.第二級(jí)采用簡(jiǎn)單的共源級(jí)的典型結(jié)構(gòu)輸出，以提供最大的輸出擺幅.為使電路達(dá)到穩(wěn)定，在增益提高級(jí)與輸出之間采用了改善零點(diǎn)頻率的密勒補(bǔ)償.

電路的靜態(tài)工作條件由偏置電路提供.

2.1 輸入級(jí)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在兩級(jí)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中，第一級(jí)提供高增益;而在單級(jí)放大器中，折疊式共源共柵和套筒式共源共柵均可提供很高的增益.折疊式共源共柵運(yùn)放與套筒式結(jié)構(gòu)相比，電壓的輸出擺幅較大些，而且在應(yīng)用方面輸入輸出可以短接，實(shí)現(xiàn)單位增益緩沖器;其次，折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的輸入共模范圍大，輸入共模電平可以接近VDD(NMOS作輸入管)或GND(PMOS作輸入管).若采用NMOS管作為輸入管，由于電子比空穴遷移率大，能得到更大的增益，但其折疊點(diǎn)有很大的寄生電容，影響了運(yùn)放的速度，所以可采用PMOS管作為輸入管來(lái)提高主放大器的頻率特性.本文設(shè)計(jì)的差分輸入單端輸出的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中M1 ,M2 ,M5 ,M6 構(gòu)成折疊式差分電路;M3 ,M4 構(gòu)成差分電路的偏置電流源;M19 構(gòu)成差分輸入的尾電流源;M7 ,M8 ,M9 ,M10 構(gòu)成共源共柵電路;M13 ,M14 ,M15 ,M16 ,M17 ,M18 構(gòu)成增益提高電路，來(lái)提高第一級(jí)的輸出電阻.

Vbias1 ,Vbias2 ,Vbias3 提供增益提高級(jí)的直流偏置電壓.在第一級(jí)PMOS差分輸入的折疊式共源共柵中，增益提高技術(shù)的增益為：

運(yùn)放第一級(jí)的增益為：Av1 = Gm *Rout ,Gm 為輸入差分管的跨導(dǎo).

2.2 輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二級(jí)采用電流源負(fù)載的共源級(jí)電路，不僅可以提供很大的電壓增益，還可以提供大的輸出擺幅.在本文的設(shè)計(jì)中，如圖4所示，M11 作為第二級(jí)的輸入管，M12管提供偏置電流，其偏置電壓由Vbias3 提供.其增益為：

2.3 偏置電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖5 是本文所設(shè)計(jì)的偏置電路，Vbias1 為圖3 中輸入管的尾電流源M19 提供直流偏置電壓，Vbias2 為圖3中M5 ,M6 ,M7 ,M8 ,M15 ,M16 提供直流偏置電壓，Vbias3 為M3 ,M4 ,M12 提供直流偏置電壓.M20 ,M21 構(gòu)成電流鏡，理想電流源通過(guò)電流鏡將電流Iref 按管子的寬長(zhǎng)比鏡像到M21 管，從而產(chǎn)生電路所需要的直流偏置電壓.