高增益低功耗CMOS運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì)

引言

　　隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字電視也得到了迅猛發(fā)展，其中視頻數(shù)字編解碼芯片是它的核心部件，而ADC又是影響其性能的關(guān)鍵模塊，因此設(shè)計(jì)高性能的模擬前端ADC成為Ic設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了一種在12位精度、80MHz采樣率的ADC中負(fù)責(zé)采樣保持的核心電路－運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)。

運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇

　　根據(jù)ADC的要求可以推算出運(yùn)放的性能指標(biāo)，如表1所示，據(jù)此可以選擇運(yùn)放的結(jié)構(gòu)。

　　目前常見(jiàn)的三種基本的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 1(a)是簡(jiǎn)單的兩級(jí)運(yùn)放，它具有火的輸出擺幅2(Vdd-2Vds，sat)，但頻率特性差，一般用Miller法補(bǔ)償，使得相位裕度變小，但會(huì)導(dǎo)致電路穩(wěn)定性變差。另一種改進(jìn)的補(bǔ)償方式是增加調(diào)零電阻R2=l／Cc(1／gmb－R)，但由于工藝的不穩(wěn)定性，難以得到精確的電阻值。圖1(b)是套筒式運(yùn)放，整個(gè)電路可以看成是單極點(diǎn)系統(tǒng)，無(wú)需補(bǔ)償，因此頻率特性好；又因?yàn)樗挥?條主支路，因此功耗低，但輸入／輸出擺幅小。圖1(c)是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，它改進(jìn)了套筒式輸入／輸出擺幅小的缺點(diǎn)，但存在4條主支路，功耗大且穩(wěn)定性變差。綜上所述，本文結(jié)合圖l(b)、(c)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全差分套筒式增益增強(qiáng)型運(yùn)放，如圖2所示，它能滿足高增益帶寬、低功耗等設(shè)計(jì)要求。

電路原理分析

增益倍增

　　為了提高增益，在共源共柵結(jié)構(gòu)上附加輔助運(yùn)算放大器，如圖3所示，可以增強(qiáng)共源共柵效應(yīng)。輔助運(yùn)放的放大倍數(shù)為Aadd，通過(guò)減小由輸出到輸入管漏極的反饋，輸出可增大Aadd。倍，也即等效于：Rout≈(gm2rds2(Aadd+1)+1)rdsl+rds2。其中，g m2是M2管跨導(dǎo)，rds1與rds2：分別為Ml與M2的輸出阻抗。因此電路的直流增益也會(huì)增大同樣的倍數(shù)，Av=gm1Rout≈-gm1rds2 (gm2rds2((Aadd+1)+1)。

　　同理，給圖2中的套筒式主運(yùn)放加上輔助運(yùn)放后，其直流增益可提高為Av=-gm1［（gm5rds5 rds7 (Aadd_p)// （gm3rds3 (rds9// rds1) Aadd_n)分別是輔助運(yùn)放Aadd_n和Aadd_p。的放大倍數(shù)。圖4中示了n型輔助運(yùn)放A_p的結(jié)構(gòu)。
p型輔助放A_n用于推進(jìn)主運(yùn)放的M 3、M4管，n型輔助運(yùn)放A_p．用于推 進(jìn)主運(yùn)放的M5、M6管。輔助運(yùn)放采用折疊式結(jié)構(gòu)，不需要太快的速度和建立時(shí)間，因此其尾電流取為主運(yùn)放的l／10，大大降低了整個(gè)電路的功耗和面積。

頻率響應(yīng)分析

　　圖2中全差分套筒式共源共柵運(yùn)放的主極點(diǎn)在P．點(diǎn)，頻率為Wpl=－l／RoutCL；次極點(diǎn)位于P2或P3點(diǎn)。通常由于p管的遷移率比n管的遷移率小，因此p管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓較大，導(dǎo)致寬長(zhǎng)比W／L。也較大，即P2點(diǎn)的電容比P3的電容大。因此可以認(rèn)為P2點(diǎn)為次主極點(diǎn)，wP2=-gm5／cp，其中g(shù)m5為M5管的跨導(dǎo)，Cp主要包括M5管的柵源電容c。。和M3管的柵漏電容Ggd。而主運(yùn)放的單位增益頻率為WU＝gm1/CL。，其中g(shù)m1為M1管的跨導(dǎo)。當(dāng)加入輔助運(yùn)放時(shí)，附加的增益部分與M5管形成閉環(huán)，若附加增益部分速度太快，電路就可能變得不穩(wěn)定。又因?yàn)檩o助運(yùn)放增加了一對(duì)零極點(diǎn)Wdoiblet，如果設(shè)計(jì)不好，就會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)放的建立特性。因此應(yīng)使這對(duì)零極點(diǎn)盡量靠近，并且盡量遠(yuǎn)離主運(yùn)放的單位增益頻率，同時(shí)還要小于主運(yùn)放的次主極點(diǎn)，即：βWU Wdoublet WP，其中β是閉環(huán)反饋系數(shù)。

主運(yùn)放和輔助運(yùn)放的設(shè)計(jì)方法

　　在設(shè)計(jì)套筒式共源共柵主運(yùn)放時(shí)，首先根據(jù)最大輸出擺幅的要求，分配過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Vod并設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)。由圖可得：Vout．max＝Vdd一(|Vod7|+|Vod5 |)，Vout．min＝Wod9+Voal+Vod3，設(shè)輸出擺幅為1.5V，則|Vod7|+|Vod5 |+Vod9+V0d1+Vod3=3.3－1.5=1.8V，由于p管M7、M5的遷移率低，給它們均分配0.45V的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，剩余的平均分配給M9、M1、M3各0.3V。再由閥值電壓公式Vgs=Vt+Vod知：允許的最小輸入共模電平等于Vgsl+Vod9=1V，VBl的最小值為Vgs3+Vodl+Vod9=1.3V，Vod5的最大值為：VDD－(|Vgs5+Vod7|)=1.6V。因此，綜合考慮合理設(shè)置其偏置電壓VB4、VIN VG3、VG5、VBl分別為：0.8V、1.2V、1.79V、1．6V、2.21V。

　　在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要手工估算寬長(zhǎng)比W／I。，這可以根據(jù)C M 0 S管飽和電流公式IDS=Kn(W／L一)(VGs一VTN)2(1+λVDS)得到，式中器件跨導(dǎo)參數(shù)

　　其中COX為單位面積的氧化層電容，N為襯底摻雜濃度，Un為n溝道器件的表面遷移率。同理可計(jì)算P管參數(shù)。

　　折疊式共源共柵輔助運(yùn)放的設(shè)計(jì)方法如表2所示，其中設(shè)寬長(zhǎng)比Sn=(W／L)n。

仿真驗(yàn)證和結(jié)論

　　在Cadence的Spectre平臺(tái)下，本設(shè)計(jì)采用TSMc公司的0.35μmCM0s工藝模型，在3.3V電源電壓下，分別在tt(典型)、sr(慢NMOS，快PMOS)、ff(快NMOS，快PMOS)3種工藝條件下對(duì)所設(shè)計(jì)的運(yùn)放進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，本文采用的增益增強(qiáng)型套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)的全差分cM0s運(yùn)算放大器具有l(wèi)lOdB的直流開環(huán)增益，320MI-Iz的增益帶寬，65。的相位裕度，壓擺率大于200V／lxs，建立時(shí)間小于6ns，功耗小于5.7mW。

結(jié)語(yǔ)

　　本文對(duì)增益提高技術(shù)的原理和全差分套筒式共源共柵運(yùn)算放大器進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)帶增益提升的全差分折疊式共源共柵運(yùn)算放大器，它能有效地提高增益，同時(shí)對(duì)運(yùn)算放大器的速度及穩(wěn)定性等影響很小。因此，該運(yùn)放達(dá)到了設(shè)計(jì)性能的要求，可以運(yùn)用于高速、高精度的ADC等。