一種改進(jìn)的增益增強(qiáng)共源共柵放大器的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種適用于流水線(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器的全差分跨導(dǎo)放大器，通過(guò)采用單端放大器的增益增強(qiáng)方法，使運(yùn)算放大器即具有較高的直流增益，又有較小的面積及較好的版圖匹配性。通過(guò)對(duì)普通開(kāi)關(guān)定容共模負(fù)反饋電路的改進(jìn)，改善了建立時(shí)間減小了放大器輸出共模的抖動(dòng)。電路采用SMIC 0．18μm CMOS工藝，并在Cadence下對(duì)電路及版圖進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：小信號(hào)低頻電壓增益119．3 dB；單位增益帶寬378．1 MHz；相位裕度60°。
關(guān)鍵詞：流水線(xiàn)ADC；增益增強(qiáng)；跨導(dǎo)放大器；開(kāi)關(guān)電容共模負(fù)反饋；版圖

0 引言
隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能的運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于各種電路系統(tǒng)中，它成為模擬和混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)的核心單元電路，其性能直接影響電路系統(tǒng)的整體性能。作為現(xiàn)代模擬集成電路的一個(gè)重要部分，A／D轉(zhuǎn)換器隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。隨著數(shù)字無(wú)線(xiàn)電等理論的提出，高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器成為人們研究的目標(biāo)，而這也為運(yùn)算放大器提出了更高的要求。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越限制放大器指標(biāo)的時(shí)候，Bult．K．提出的增益增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠在不影響帶寬的前提下有效地提高運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益，使得設(shè)計(jì)高性能放大器變的更加容易。
本文設(shè)計(jì)了一種采用增益增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的帶開(kāi)關(guān)電容共模反饋的折疊式共源共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，可用于流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的A／D中。出于對(duì)性能及版圖因素的考慮，采用了單端放大器作為增益提高輔助放大器。并通過(guò)改進(jìn)共模負(fù)反饋電路，使得放大器輸出共模反饋電壓穩(wěn)定更快，抖動(dòng)更小。本設(shè)計(jì)在Cadence環(huán)境下對(duì)運(yùn)放的電路和版圖進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，放大器的各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到了理想的效果。

1 電路結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)
CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器常用結(jié)構(gòu)有兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)、套筒結(jié)構(gòu)和折疊共源共柵結(jié)構(gòu)等形式。兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)的運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)雖然具有高增益、高擺幅等優(yōu)點(diǎn)，但由于每一級(jí)至少引入一個(gè)極點(diǎn)，為了保障整個(gè)放大器的相頻特性滿(mǎn)足要求，需要額外的頻率補(bǔ)償電路，從而提升了放大器的電流和功耗，限制了放大器帶寬，同時(shí)降低了放大器速度，因此不能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)中對(duì)于運(yùn)放帶寬和速度的要求。套筒式結(jié)構(gòu)雖然具有較高的增益、較好頻率特性及較低功耗，但是受到結(jié)構(gòu)限制，其輸出擺幅和共模輸入范圍小，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)針對(duì)套筒結(jié)構(gòu)輸出擺幅小的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加電路支數(shù)，提高功耗，在提供較高的增益前提下，又滿(mǎn)足了大帶寬、高擺幅和高速的要求。通過(guò)對(duì)折疊共源共柵結(jié)構(gòu)應(yīng)用增益增強(qiáng)技術(shù)，可以在不影響信號(hào)帶寬、壓擺率和相位特性的情況下進(jìn)一步提高電路直流增益。因此，針對(duì)本設(shè)計(jì)的特殊要求，選取了應(yīng)用增益增強(qiáng)技術(shù)的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。
1．1 主運(yùn)放電路
本文設(shè)計(jì)的折疊共源共柵運(yùn)算放大器如圖1所示。M0，M1為差分輸入對(duì)管；M2為差分對(duì)管恒流源；M4，M5為電流源；M6，M7為共柵管；M8，M10，M58，M59為共源共柵電流源負(fù)載。由于NMOS管的載流子遷移率更高，采用NMOS管作差分輸入級(jí)可提高運(yùn)放增益和帶寬。