两级全差动运算放大器的设计(2)

典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：

相位补偿电路 VVin?in? 高增益 差分 输入级 放大级 VVout?

ou-t

偏置

电路

输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪声能力和失调性能。高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆幅。差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度增加了一倍。偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和温度而变化。为了保证运放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大级）。但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。因此，我们最终还是要的运放的整体性能。

3.1.第一级运算放大器设计

首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下：

图1 第一级放大电路

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3.1.1第一级差模电压增益

由第一级放大电路，可以推算出：

A又因为，

v1??gmp?rGSdsp//rdsn1?

I

Dgds?12?CoxWL?V1?VTH?2???r因此，

ds?g?ds1?I

D??Av1??2gmp??IDp2?????pn11???20dB ??3.1.2.共模电压输入范围 已知电源电压V=1.8V，并且只有当栅源电压Vgs大于开启电压VT，且

ddV

ds?Vgs?VT时，场效应管才能工作于饱和区。

因此，

vvmin??vvdsn1?vvth?0.7V

?maxdd?dsp2vgsip?1.1V所以共模电压输入范围为vmin?vcm?vmax，取vcm=0.9V。

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3.1.3.第一级增益带宽积GBW

要求第一级放大器的增益带宽为GBW=500MHz，我们取负载电容为cL=0.4pf,根据公式:

GBW?g2?mpc

L得到gmp?1.26?10?3。因此，再根据公式：

gm?2IDvds?vth

得到通过输入管的电流为ID?126?A,所以IMp2?252?A。 再根据公式：

12WLI得到?D??Cox?VGS?VTH?2

2ID?W????L?mip?Cox?VGS?VTH?2?25.2

3.1.4.第一级MOS管宽长比

通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：

MOS管 Mn1、Mn2 Mipp、Mipn Mp2 Mp1 3.1.5.第一级仿真结果 在设置参数如下时，

W/m 5.645u 700u 900u 100u L/m 180n 180n 1u 1u VVcmdd?0.9V?1.8VI?180?AcL?350fF

可以得到第一级的波特图。从图上可以看到第一级的增益和增益带宽积为：

A因此，满足第一级的设计要求。

v1?30dB?20dB

GBW?500MHz 7

图2

3.2.第二级运算放大器设计

首先，把第二级运算放大器的电路图画出来，如下图：

图3.第二级放大电路

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3.2.1.第二级差模电压增益

由第二级放大电路图，可以得到第二级差模电压增益为

Av2??G2Ro2??gmin??gmp3r?rp3min//rp1??//?grr??

mp3p3p1因为两级放大后的总增益要大于80dB，又知道第一级差模电压增益因此，第二级差模电压增益Av2?50dB。 3.2.2.偏置电压与偏值电流

Av1?30dB。

由第二级放大的电路图，因为Vdd=1.8V，输入管与共源共栅管并联，我们假设每个管子平均分压为0.6V，那么可以简单地估算出管子Mp1、Mp3、Mn1它们的偏置电压分别为Vb2?0.8V,Vb3?0.5V,Vb4?1.3V。

假设Mn1管提供的偏置电流为Iss，它为输入管与共源共栅管提供电流，提供给Mp1管的电流为I1,提供给Mp3的电流为I2，那么，I1?Iss2?I2。因此，

折叠结构的运算放大器一般消耗更大的功耗。我们在本设计中取偏置电流为10uA。

3.2.3.增益带宽积与负载电容

由于第一级的增益带宽积为500MHz，第二级的增益带宽积可以稍小于第一级的增益带宽积。由公式GBW?所以

g2?minpC，其中Cc为负载电容。

cCc?g2?minpC?4?10?14?40fF

c3.2.4.第二级MOS管宽长比

通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：

MOS管 Mn1、Mn2 Mn3、Mn4 Mn5、Mn6 Mp1、Mp2 Mp3、Mp4 Minp、Minn

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W/m 400n 800n 3u 800n 5.38u 2u L/m 1u 400n 280n 300n 300n 300n