一种高增益带宽CMOS全差分运算放大器的设计

第39卷第2期2009年4月

微电子学Microelectronics

Vol 39,No.2Apr.2009

一种高增益带宽CMOS全差分运算放大器的设计

陈恒江,刘明峰,郭良权,王 成

(中国电子科技集团公司第58研究所,江苏无锡214035)

摘 要: 介绍了一种采用折叠式共源共栅结构的高增益带宽全差分运算放大器的设计和实现,详

细讨论了折叠式共源共栅放大器的电路结构、共源共栅偏置电路,以及开关电容共模反馈电路(SCCMFB)。电路的设计基于CSMC0.5 mDPTM5V混合信号工艺。仿真结果表明,该电路在5V电源电压下具有64dB直流开环增益、155MHz单位增益带宽。通过在一款ADC电路中流片验证,该放大器达到设计指标要求。

关键词: 运算放大器;折叠式共源共栅;开关电容共模反馈

中图分类号:TN722.7+7 文献标识码:A

文章编号:1004-3365(2009)02-0155-04

DesigofHighUnity-GainBandwidthCMOSOperationalAmplifier

CHENHengjiang,LIUMingfeng,GUOLiangquan,WANGCheng

(The58thResearchInstitute,ChinaElectronicTechnologyGroupCorp.,Wuxi,Jiangsu214035,P.R.China)

Abstract: Afullydifferentialoperationalamplifierwithhighunity-gainbandwidthwasdesignedandimplemen-ted.Structureoffolded-cascodeoperationalamplifier,cascodebiascircuitandswitched-capacitorcommon-modefeed-back(SCCMFB)circuitwerediscussedindetail.SimulationbasedonCSMC s0.5 mDPTM5Vmixed-signalprocesstechnologyshowedthattheoperationalamplifierhadaDCopen-gainof64dBandaunity-gainbandwidthof155MHz.TheoperationalamplifierwasusedinanA/Dconverterforverification,andthespecificationmetthede-signtarget.

Keywords: Operationalamplifier;Folded-cascode;SC-CMFBEEACC: 1220

大的开环增益和带宽,在高性能系统中被广泛采用。

1 引言

2 电路结构分析

随着集成电路技术的发展,高性能运算放大器在信号处理与放大、开关电容滤波器、带隙基准电压源、A/D转换器、D/A转换器等系统中都有广泛的

应用。运算放大器的性能直接决定电路系统的整体性能,因此,设计高性能运算放大器电路是模拟集成电路和数模混合集成电路研究的热点。

速度和精度是模拟电路中两个重要的性能指标,高增益需要小偏置电流、长沟道、多级放大设计,高带宽需要大偏置电流、短沟道、单极点设计。对电路设计来说,很难同时达到高增益和高带宽,必需折中考虑。共源共栅结构的运算放大器能够在速度和精度两者之间实现较好的折中。这种结构的运放具有较

:-03;:-10-2.1 折叠式共源共栅运算放大器设计

共源共栅结构的运算放大器由于输入级结构的不同,可分为套筒式和折叠式两种方式。套筒式共源共栅运算放大器由于输入摆幅较小,不利于闭环

使用;而折叠式共源共栅运算放大器输入摆幅和输出摆幅都较大,能够闭环使用,因此具有更广泛的使用范围。运算放大器的输出结构有单端输出和差分输出两种方式,与常用的单端运放相比,差分运放有诸多优点,如更好的抑制共模噪声,较大的输出摆幅,较好抑制谐波失真偶次项等。因此,高性能运放的设计多选择全差分结构。

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陈恒江等:一种高增益带宽CMOS全差分运算放大器的设计2009年

全差分运放需要共模反馈(CMFB)来稳定其输出电压,以避免器件偏离饱和工作态,失去对信号的放大作用。CMFB电路需采样输出电压并与参考电压进行比较,然后将误差信号送到放大器的偏置电流源电路,进而调节输出电压。CMFB有连续时间法(CT)和开关电容法(SC)。开关电容CMFB不消耗额外功率,对运算放大器的输出特性影响小。本文设计的运算放大器结构为带SC-CMFB的折叠式共源共栅运算放大器。

本文设计的折叠共源共栅运算放大器如图1所示。mn6、mn7为差分输入对管;mn5为差分对管恒流源;mn8、mn9为共栅管;mp1、mp2为电流源;mp3、mp4为共栅管;mn1~mn4为共源共栅电流源负载。biasp1、biasp2、biasn2、biasn1偏置电压由偏置电路提供,cmfb偏置电压由开关电容共模反馈提供。由于NMOS管的载流子迁移率更高,采用NMOS

管作差分输入级可提高运放增益和带宽。

Gm为差分输入管的跨导,Rout为out节点的输出电阻,Gm=Gmn6或Gmn7;Rout=Gmn3*Ron3*Ron1 Gmp3*Rop3*(Rop1 Gmn8*Ron8*Ron6)。

所以:

Av=GmRout=Gmn6[Gmn3*Ron3*Ron1 Gmp3*

Rop3*(Rop1 Gmn8*Ron8*Ron6)]假定所有的跨导和输出电阻都相等,则Av=(GmRo),可见,与基本的恒流源负载放大电路相比,输出节点的输出电阻增大GmRo倍,所以共源共

栅结构的运算放大器能够提供高增益。

2

图3 半边等效电路Fig.3 Halfequivalentcircuit

表1为折叠共源共栅运算放大器各MOS器件的尺寸。

表1 图1中各MOS管的宽长比Table1 W/LofMOStransistorsinFig.1

尺寸W/ mL/ mM尺寸W/ mL/ mM

mn14124mn81010.52

mn24124mn91010.52

mn3250.54mp12028

mn4250.54mp22028

mn52028mp3250.54

mn66314mp4250.54

mn76314

折叠共源共栅运算放大器输出端采用容性负载进行补偿,负载电容为CL=1.3pF,输出节点outp、outn为高阻节点,其他节点为低阻节点,输出跨导与MOS管跨导相当,因此在输出端存在主极点,主极点频率为1/rout*CL。由于次极点远离主极点和圆点,因此可假定系统为单极点系统,则折叠共源共栅运算放大器单位增益带宽GBW=Gm/CL。增大带宽的途径是增大差分输入对管的跨导和减小负载电容,但减小负载电容会给运放的稳定性带来影响,

运放的增益表达式为: Av=GmRout

因此设计时需要综合考虑。

2.2 共源共栅运算放大器偏置电路的设计

第2期陈恒江等:一种高增益带宽CMOS全差分运算放大器的设计

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现高输出电阻,器件的叠加带来的一个负面问题是电路输出摆幅减小。为了能够拥有足够大的输出摆幅,需要减小MOS器件工作的过驱动电压,过驱动电压由折叠共源共栅运算放大器的偏置电压和器件尺寸确定,因此需要通过合理地设计运放的偏置电路,以达到尽可能大的输出电压摆幅。运放的输出摆幅为:

Vdd-(Ovn3+Ovn1+|Ovp1|+|Ovp3|)式中,运放的输入摆幅上限值为Vbiasn2-Vthn-Ovn8+Vthn=Vbiasn2-Ovn8;摆幅下限值为Vth+Ovn6+Ovn5(Ov表示MOS器件的过驱动电压)。

图4为本文采用的折叠共源共栅运算放大器的偏置产生电路。Biasp1、biasp2、biasx、biasn2为折叠共源共栅运放的偏置电压,ref为共模比较的参考电压,bias为运放差分输入级尾电流源偏置电压。首先,bias控制的M11和分裂二极管方式连接的M7、M8确定偏置电压biasp2,通过M11、M12及M8、M6电流镜像作用,两支路具有相同的电流;M5采用自偏置方式连接到M6的漏端,M7工作在线性区,M5必需增大栅电压才能使其工作在饱和区;通过合理设计M7和M5的尺寸(M5尺寸需增大),能够保证M5、M6工作在饱和区,并具有较小的过驱动电压。这样,biasp1偏置电压就确定了,b-iasn1、biasn2产生原理与biasp1、biasp2类似。表2

为偏置电路中器件的尺寸。

2.3 SC-CMFB设计

全差分输出结构的共源共栅放大器,由于输出节点阻抗高,共模电压很难稳定在合适的共模电平,必需引入共模反馈电路,为输出节点提供一个稳定的共模电平。图5为折叠共源共栅运算放大器电路中使用的开关电容共模反馈电路,outp、outn为差分输出电压信号,clk1、clk2为两相不交叠时 …… 此处隐藏：6067字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……