0.6μmCMOS工藝全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

0 引言

　　運(yùn)算放大器是數(shù)據(jù)采樣電路中的關(guān)鍵部分，如流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。在此類設(shè)計(jì)中，速度和精度是兩個(gè)重要因素，而這兩方面的因素都是由運(yùn)放的各種性能來(lái)決定的。

　　本文設(shè)計(jì)的帶共模反饋的兩級(jí)高增益運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)分兩級(jí)，第一級(jí)為套筒式運(yùn)算放大器，用以達(dá)到高增益的目的；第二級(jí)采用共源級(jí)電路結(jié)構(gòu)，以增大輸出擺幅。另外還引入了共模反饋以提高共模抑制比。該方案不僅從理論上可滿足高增益、高共模抑制比的要求，而且通過了軟件仿真驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的直流增益可達(dá)到80 dB，相位裕度達(dá)到80°，增益帶寬為74 MHz。

　　1 運(yùn)放結(jié)構(gòu)

　　通常所用的運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)基本有三種，即簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放、折疊共源共柵和套筒式共源共柵。其中兩級(jí)結(jié)構(gòu)有大的輸出擺幅，但是頻率特性比較差，一般用米勒補(bǔ)償，可使得相位裕度變小，因而電路的穩(wěn)定性會(huì)變差；套筒式的共源共柵結(jié)構(gòu)，雖然頻率特性較好，又因?yàn)樗挥袃蓷l主支路，所以功耗比較小。但是這些都是以減小輸入范圍和輸出擺幅為代價(jià)的。因此，為了緩解套筒式結(jié)構(gòu)對(duì)輸入電壓范圍的限制，本文提出了折疊式運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的思路。折疊式結(jié)構(gòu)比套筒式結(jié)構(gòu)有更大的輸入共模電平范圍，但卻以減小增益和帶寬，增大噪聲和功耗為代價(jià)的。考慮到折疊共源共柵輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的功耗比較大，因此，本文選擇套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)，最后選擇了如圖1所示的全差分結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)。

　　1．1 主運(yùn)放結(jié)構(gòu)

　　全差分運(yùn)算放大電路對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抑制能力。而套筒式結(jié)構(gòu)則具有高增益、低功耗以及頻率特性好等特點(diǎn)。因此，第一級(jí)放大結(jié)構(gòu)(即M0～M8)采用套筒式全差分放大器結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)。第二級(jí)(即M9～M11)為共源結(jié)構(gòu)，以改善套筒式結(jié)構(gòu)輸出擺幅小的缺點(diǎn)，同時(shí)相應(yīng)提高運(yùn)算放大器的開環(huán)增益。但是，隨著級(jí)數(shù)的增加，必然會(huì)增加電路的零極點(diǎn)，這對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求更高。因此，必須引入補(bǔ)償電容C3來(lái)補(bǔ)償額外的極點(diǎn)，使電路的相位裕度能滿足要求，并使性能穩(wěn)定。另外，圖1申的VB1用于提供尾電流鏡偏置，VB2和VB3分別用于為PMOS和NMOS提供靜態(tài)直流偏置，這三個(gè)偏置電壓均提供有偏置電路。