基于SOC應(yīng)用的運(yùn)算放大器IP核設(shè)計(jì)

摘要：基于SOC應(yīng)用，采用TSMC 0.18μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低電壓、高增益的恒跨導(dǎo)軌到軌運(yùn)算放大器IP核。該運(yùn)放采用了一倍電流鏡跨導(dǎo)恒定方式和新型的共柵頻率補(bǔ)償技術(shù)，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單高效。用Hspice對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真，在1.8V電源電壓、10pF負(fù)載電容條件下，其直流開環(huán)增益達(dá)到103.5dB，相位裕度為60.5度，輸入級(jí)跨導(dǎo)最大偏差低于3％。

關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；軌到軌；共柵頻率補(bǔ)償；IP核

　　1引言

　　在SOC的模擬集成電路設(shè)計(jì)中，使用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高性能成為趨勢(shì)，SOC的設(shè)計(jì)核心是IP核設(shè)計(jì)。運(yùn)算放大器是模擬電路中最重要的電路單元之一，廣泛應(yīng)用于如數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電容電路中[1-2]。隨著電源電壓的不斷降低，為了提高動(dòng)態(tài)范圍，軌到軌（Rail to Rail）設(shè)計(jì)變得十分重要。

　　通常采用互補(bǔ)差分對(duì)實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)共模電壓的Rail to Rail, 但其跨導(dǎo)在整個(gè)輸入范圍內(nèi)變化接近一倍[3]，這使得頻率補(bǔ)償變得很困難，運(yùn)放穩(wěn)定性變差。Rail to Rail運(yùn)放通常需要兩個(gè)電容作為Miller補(bǔ)償以提供足夠的相位裕度[4]，這不僅會(huì)占用大量的面積，也限制了單位增益帶寬。

　　從IP核的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)放采用一倍電流鏡跨導(dǎo)控制電路恒定輸入級(jí)跨導(dǎo)，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路芯片面積小，同時(shí)也不會(huì)增加輸入級(jí)的噪聲。輸出級(jí)采用AB類推挽結(jié)構(gòu)，它能夠在低壓下實(shí)現(xiàn)全擺幅的輸出，并且可以在保證低失真的情況下，得到較高的電源效率。針對(duì)AB類輸出級(jí)的特殊結(jié)構(gòu)，采用了一種新型的共柵頻率補(bǔ)償技術(shù)[5]，可以消除右半平面低頻零點(diǎn)，而且只需要一個(gè)補(bǔ)償電容，不僅提高了單位增益帶寬，也節(jié)省了芯片面積。仿真結(jié)果表明，該運(yùn)放能夠在1.8V的低電源電壓下穩(wěn)定工作,非常適合于低電壓SOC應(yīng)用。

　　2電路結(jié)構(gòu)和原理

　　2．1 Rail to Rail輸入級(jí)及跨導(dǎo)控制

　　為了使運(yùn)放的共模輸入在整個(gè)電源范圍內(nèi)變化時(shí)電路都能正常工作，采用NMOS 管和PMOS管并聯(lián)的互補(bǔ)差分輸入對(duì)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)的Rail to Rail。根據(jù)輸入共模電壓的不同，輸入級(jí)可分為三個(gè)工作區(qū)域[6]：當(dāng)共模輸入電壓接近VSS時(shí)，僅PMOS輸入對(duì)導(dǎo)通，輸入級(jí)跨導(dǎo)為 ；當(dāng)共模輸入電壓接近VDD時(shí)，僅NMOS輸入對(duì)導(dǎo)通，跨導(dǎo)為 ；當(dāng)共模輸入電壓處于中間值時(shí)，p 溝和n 溝輸入對(duì)均導(dǎo)通，跨導(dǎo)為：


　　由上式可知，Rail-to-Rail 結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)跨導(dǎo)會(huì)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)變化將近一倍。若將其運(yùn)用于帶有反饋回路的運(yùn)放中，其環(huán)路增益也變化近一倍，必將引起失真的增大。當(dāng)輸入級(jí)跨導(dǎo)增大一倍，則單位增益頻率增大一倍，從而導(dǎo)致相位裕度減小，運(yùn)放穩(wěn)定性變差，這也造成了頻率補(bǔ)償很難實(shí)現(xiàn)。所以必須將其改進(jìn)以恒定跨導(dǎo)。

　　本文設(shè)計(jì)的Rail-to-Rail 輸入級(jí)工作在弱反型區(qū)，MOS管總輸入跨導(dǎo)可由下式給出：


　　其中， 是PMOS輸入對(duì)的尾電流， 是NMOS輸入對(duì)的尾電流， 分別是PMOS和NMOS輸入對(duì)的弱反型斜率因子。

　　由(2)式可知，工作在弱反型區(qū)的MOS管跨導(dǎo)與漏電流成正比。所以可通過保持互補(bǔ)輸入對(duì)總的尾電流恒定來穩(wěn)定  。假設(shè)兩類晶體管的弱反型斜率因子相同，要得到恒定的 ，其總的尾電流應(yīng)滿足：


　　滿足上述要求的Rail-to-Rail 輸入級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由通過電流開關(guān)M7和一倍電流鏡M5-M6來實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)的gm 控制。若共模輸入電壓較低，電流源 偏置于PMOS輸入對(duì)M3-M4，僅有PMOS輸入管對(duì)輸入信號(hào)有放大作用。當(dāng)共模輸入電壓升高到（VDD-VB1）時(shí)，電流開關(guān)M7 就會(huì)分走 的部分電流，并通過電流鏡M5-M6 將其注入到NMOS輸入對(duì)中。因此，輸入對(duì)總的尾電流恒為  。若共模輸入電壓進(jìn)一步增大，PMOS輸入對(duì)截止，電流開關(guān)使得 通過電流鏡全部注入到NMOS輸入對(duì)。從而使 在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)保持恒定。但由式（2）可知， 還與弱反型傾斜因子n有關(guān)。若NMOS與PMOS輸入對(duì)的弱反型斜率因子不等，仍會(huì)引起 的變化，可通過改變電流鏡的增益系數(shù)來得到補(bǔ)償。

　　由于電流開關(guān)和電流鏡所占面積相對(duì)較小，該 控制電路幾乎不會(huì)增加輸入管的尺寸大小，因此電路芯片面積小、功耗低，非常滿足IP核設(shè)計(jì)的要求。還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)增加輸入級(jí)的噪聲，因?yàn)樵趃m控制電路中生成的噪聲夾雜在互補(bǔ)輸入對(duì)的尾電流中，可認(rèn)為是共模信號(hào)。對(duì)Rail-to-Rail輸入級(jí)來說，若輸入管匹配，gm控制電路所產(chǎn)生的噪聲就可以忽略掉。

　　2．2 Rail-to-Rail輸出級(jí)及共柵補(bǔ)償技術(shù)

　　在Rail-to-Rail輸出級(jí)中，AB 類傳輸函數(shù)可通過保持輸出管柵極間電壓恒定來實(shí)現(xiàn)。采用帶有前饋AB類控制的推挽輸出結(jié)構(gòu)，它能夠在低壓下實(shí)現(xiàn)全擺幅的輸出，并且可以在保證低失真的情況下，得到較高的電源效率。

　　用晶體管耦合直接前饋通路實(shí)現(xiàn)的AB 類前饋式輸出級(jí)如圖2 所示。M7、M8為Rail-to-Rail 輸出管，M1、M2 組成晶體管耦合的AB 類控制電路。Iin1和Iin2為同相位的小信號(hào)電流源。電路中的兩個(gè)回路M2-M7 和M1-M8控制輸出管的靜態(tài)電流。當(dāng)一個(gè)輸出管電流非常大時(shí)，另一個(gè)輸出管能夠保持一個(gè)最小值，而不是截止為零，避免了從截止到導(dǎo)通所需要的時(shí)間延遲，也減少了交越失真。

　　通常Rail-to-Rail運(yùn)放是多級(jí)放大器,需要兩個(gè)(或兩個(gè)以上) 電容作為Miller 補(bǔ)償以提供足夠的相位裕度，這不僅會(huì)占用大量的面積,也限制了單位增益帶寬；而且多級(jí)放大器作為輸出緩沖器時(shí),電路的穩(wěn)定性還容易隨負(fù)載電容大小的變化而改變，產(chǎn)生震蕩。Miller補(bǔ)償要求在M23 和M24 柵漏兩端分別接入兩個(gè)補(bǔ)償電容，其輸出極點(diǎn)可簡(jiǎn)單的表示為(假設(shè)gm7等于gm8, CL 是負(fù)載電容) ：
　　由于電容的前饋通路,Miller 補(bǔ)償引入了一個(gè)右半平面零點(diǎn)zc，該零點(diǎn)減小了相位裕度,同時(shí)也限制了單位增益帶寬。

　　如圖2所示，針對(duì)特殊的AB類輸出級(jí)，采用M9，M10和電容CC組成的共柵頻率補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，可以阻止通過電容的前饋電流，并將右半平面零點(diǎn)移至高頻，同時(shí)也減少了一個(gè)補(bǔ)償電容，節(jié)省了芯片面積。假設(shè)只考慮晶體管M8 所構(gòu)成的NMOS 共源輸出級(jí)，通過小信號(hào)分析可以得到，該電路引入了一個(gè)位于左半平面的零點(diǎn)：


　　整個(gè)放大器主極點(diǎn)可以近似等于：


　　其中Rout1為第一級(jí)放大電路的輸出電阻，RL為負(fù)載電阻，對(duì)于較大的RL ，輸出極點(diǎn)可以近似為：


　　從式中看出，輸出極點(diǎn)增大了約gm10Rout1倍，增加M10 (和M9) 的跨導(dǎo)還可將此極點(diǎn)移至高頻，因此采用較小CC就能實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，獲得較高的單位增益帶寬。但是，增加gm9, gm10將會(huì)導(dǎo)致M9 和M10 的漏電流增加，從而減少流經(jīng)M1 和M2 的電流，進(jìn)一步減小M1和M2的源漏端的飽和壓降Vdsat，而流經(jīng)M7和M8的電流將增加，輸出阻抗減小，最終導(dǎo)致放大器開環(huán)增益的降低。此外，增大gm9 , gm10還會(huì)增加等效的輸入噪聲和放大器的功耗。因此M9、M10的設(shè)計(jì)只需使得兩個(gè)極點(diǎn)分離足以滿足穩(wěn)定性所需的相位裕度即可。流經(jīng)M9 和M10 的漏電流總是相等，M9和M10的引入并不會(huì)影響放大器總體的失配；同時(shí)（7）式也說明采用較小的補(bǔ)償電容CC 還可以減少負(fù)載電容CL 的增加對(duì)電路頻率特性的影響。

　　3整體電路實(shí)現(xiàn)與仿真

　　綜上所述，電路的整體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由晶體管M18-M22構(gòu)成的電流鏡和由M28-M31構(gòu)成的電流鏡為整個(gè)電路提供偏置電流。為了減小輸入失調(diào)，盡量增大輸入晶體管面積，減小其有效柵源電壓，同時(shí)盡可能減小電流鏡和電流源的寬長(zhǎng)比。通過減小電流開關(guān)M15的寬長(zhǎng)比將失調(diào)變化擴(kuò)展到整個(gè)共模輸入范圍，可以增加共模抑制比。

電路采用TSMC 0.18μm 1P6M CMOS數(shù)模混合工藝，基于BSIM3V3 Spice模型，10pF電容負(fù)載的條件下，用Hspice對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真，電源電壓為1.8V，偏置電壓為0.8V。

　　輸入級(jí)跨導(dǎo)隨輸入共模電壓變化的結(jié)果如圖4所示，可以看出，輸入級(jí)跨導(dǎo)大約為290μS，在整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)只變化3％，基本保持恒定。在0~0.4V，PMOS差分輸入對(duì)導(dǎo)通，NMOS差分輸入對(duì)截止，輸入級(jí)跨導(dǎo)為PMOS輸入對(duì)的跨導(dǎo)；在0.9~1.8V，輸入級(jí)跨導(dǎo)為NMOS輸入對(duì)的跨導(dǎo)；在0.4~0.9V，PMOS和NMOS差分輸入對(duì)同時(shí)導(dǎo)通，電流開關(guān)抽取電流會(huì)引起跨導(dǎo)變化，主要是由NMOS和PMOS差分輸入對(duì)的寬長(zhǎng)比以及弱反型斜率因子的不同引起的。

　　該運(yùn)放的頻率特性如圖5所示，整個(gè)電路的直流開環(huán)增益為103.5dB,相位裕度為60.5度，單位增益帶寬為18.9MHz。相比之下，采用傳統(tǒng)miller補(bǔ)償其帶寬只有9.5MHz。

　　整個(gè)放大器的設(shè)計(jì)結(jié)果如下表所示，運(yùn)算放大器的整體性能較好，并且能夠在1.8V低電壓下工作，功耗低，芯片面積也大大節(jié)省。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　隨著電源電壓的降低以及芯片集成度的增加, 以IP核形式的Rail to Rail運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)較有優(yōu)勢(shì)，它可以節(jié)省成本和縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。本文基于0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)恒跨導(dǎo)Rail to Rail運(yùn)算放大器，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，功耗低，非常適合做成SOC的IP核。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

　?。?） 從IP核的角度進(jìn)行運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，使其更具有應(yīng)用價(jià)值。
　?。?） 采用一倍電流鏡方式進(jìn)行跨導(dǎo)控制，和新型的共柵頻率補(bǔ)償技術(shù)，使整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適合與其它電路模塊集成應(yīng)用于SOC。

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　　注：本課題受國(guó)家自然科學(xué)基金和部委預(yù)研基金項(xiàng)目支持，其經(jīng)濟(jì)效益分別為27萬和15萬元，目前處于研究過程中。

　　作者簡(jiǎn)介：唐重林（1984-），男（漢族），江西安遠(yuǎn)人，碩士研究生，主要從事模擬集成電路設(shè)計(jì)方向研究；柴常春（1960-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新型半導(dǎo)體器件與材料，集成電路設(shè)計(jì)方向研究。