高速BiCMOS运算跨导放大器的设计

高速高精度AD转换器设计,讲解得非常好,运放

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TechnologyColumn

高速BiCMOS运算跨导放大器的设计

车红瑞1,王海柱1,杨建红1,金璐2

(11兰州大学微电子研究所,兰州730000;21辽宁大学,沈阳110036)

摘要:基于全差分结构提出一种高速BiCMOS运算跨导放大器,该放大器采用两级放大结构实现,可用于8位250Msps流水线结构模数转换器的采样/保持电路中。电路使用0135μmBiCMOS工艺实现,由313V单电源供电,经优化设计后,实现了211GHz的单位增益带宽,直流

开环增益61dB,相位裕度50°,功耗16mW,输出摆幅达到2V;在2pF的负载电容下,建立时间小于016ns,转换速率1200V/μs。关键词:双极互补金属氧化物半导体;;;中图分类号:TN34211　　::(2009)0120041204

DesignOperationalTransconductanceAmplifier

CheHongrui1,WangHaizhu1,YangJianhong1,JinLu2

(11InstituteofMicroelectronics,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;

21LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

Abstract:A313VfullydifferentialBiCMOSoperationaltransconductanceamplifier(OTA)wasdesigned.Itwasrealizedbytwo2stagestructure,andcouldbeusedinsampling2holdingcircuitofan8bits250Mspspipelinedanalog2digitalconverter(ADC).ThesimulatedDCgainoftheOTAis61dBanditsunitygainfrequencyis211GHzataphasemarginof50°.TheOTAhasadifferentialoutputswingof2Vanddissipates16mW.Thisswhiledriving2pFcapacitiveloads.AllthedesignisbasedonOTAsettleswithin016nsandtheSRis1200V/μtheprocessmodelofXfab0135μmBiCMOS.

Keywords:BiCMOS;analogcircuit;operationalamplifier;pipelineEEACC:1220

0　引言

目前,模数转换器(A/D转换器)在无线通

信、数字信号处理和高速数据采集等领域中得到广泛的应用。高性能采样/保持电路的设计对于A/D转换器是十分重要的,而采样/保持电路设计最关键的部分是运算跨导放大器的设计。本文提出一种用于采样/保持电路的运算跨导放大器,利用其实现的采样/保持电路可以满足8位250Msps的流水线结构A/D转换器的需要。对所设计的运算跨导放大器不仅要有高增益以满足精度的要求,还要有较大的单位增益带宽以满足高采样速率的要求,而这两方面的要求却是互相制约、互为矛盾的[1]。为此,在设计中全面考虑了这些因素。除了电路结构

January　2009

的考虑之外,对工艺的考虑也是必须的。Bipolar工艺在跨导、噪声特性、速度和输入失调上表现出优于CMOS工艺的性能[2],BiCMOS工艺综合了Bipolar工艺和CMOS工艺的优点。本设计采用BiCMOS工艺获得了高直流电压增益、低输入失调电压、低输入噪声、高速度等优良性能。

1　电路设计

111　结构选择

设计一个放大器首先是要根据其用途选择一种合适的电路结构。对适用于高速、高精度A/D转换器的放大器,根据输入共模范围(ICMR)、输出摆幅(outputswing)、

共模抑制比(CMRR)、极点问题(pole)、电源抑制比(PSRR)及功耗(Pdiss)等参数

SemiconductorTechnologyVol134No11　41　

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的要求和限制,本电路选用全差分结构,因为它的输入和输出均是差分信号,相对于单端输出运放,具有噪声低、输出电压摆幅大、共模噪声抑制好以及谐波失真的偶数阶项抑制好等优点

[3]

第一级为低噪声输入级,采用共源共基结构作为输入级,输入对管采用增强型NMOS管,采样保持电路处于保持状态时要求无静态电流通路,所以这里没有采用npn管作为输入管而是采用了具有无穷大输入阻抗的NMOS管。NMOS输入对管的漏端各串联一个共基极连接的npn管,其目的是为了减小从漏极看到的阻抗,这样就可以大大减小输入对管寄生电容的米勒效应,从而改善了频率响应性能,上面的两个负载电阻R1、R2可以根据需要对其修调。1=-gm1,2,2,2(,2∥rO1,2)+

r,2+,,]R1}≈

。

目前常见的几种全差分运算跨导放大器结构,

一种是套筒式OTA,其优点是频率特性好(带宽很宽)、速度较快,这种结构只有两条电流支路,因此在所有结构中功耗最低[4],但其缺点是信号的共模输入范围和输出摆幅太小,难以达到设计要求的性能。另一种是折叠式共源共栅OTA,它的次主极点是由内部有源负载管的跨导和内部节点的寄生电容决定,所以频率特性和套筒式共源共栅OTA近,其输出摆幅、栅结构OTA它有4构

[4]

-gm1,2R1(1)

式中:gm1,2为N1、N2管的跨导;gmQ1,2为Q1、Q2的跨导;rO1,2为N1、N2的小信号输出电阻;rQ1,2为Q1、Q2的小信号输出电阻;rQ2的基π1,2为Q1、极电阻。这里R1选择较小值,所以该级的增益很小仅仅几个dB;为了减小输入管的本征噪声,在许可范围内M1、M2尽量选取较大尺寸器件,这样就可以有效限制噪声。为了给第二级放大器提供合适的共模电平及提高第一级放大器的驱动能力,第一级放大器还包含了一个由npn管实现的射级跟随器,其增益约为

≈1。为了得到好的

1+gmQ3,4rO4,5

。

还有一种是简单的两级放大器,它的差分输出

摆幅在各种放大器结构中是最大的,增益也是这三种结构中最大的。该结构的主要缺点是频率特性差,因为它的非主极点较低,使得其带宽较小,速度受到限制

[4]。

通过以上比较可知,要同时满足工作速率、输出摆幅和ICMR等性能要求,两级放大结构成为较为理想的选择,但其高频性能尚不能完全满足要求,为此本文对这种结构做了改进。

112　电路的设计和优化

噪声特性,总是希望Q3、Q4具有小的基区电阻

r小的基极电流Ib和大的跨导gmQ3,4,这些在π3,4、

经优化设计后的电路结构如图1所示。与传统两级放大器

[527]

相比,该放大器的主要特点是整体

BJT中基本都能够实现。通过对BJT基区进行高掺

电路的频率性能相当于单级放大器,无须进行频率补偿就可以达到设计要求的单位增益带宽。

杂,可以获得较高跨导gmQ3,4和较低的基区电阻

Rb,在IC一定的情况下,高跨导使小基极电流Ib

得以实现。

第二级放大器为放大级,此跨导运算放大器的增益主要是由该级贡献。它的输入对管采用npn型三极管,采用三极管而不用NMOS,主要出于两个考虑,

其一是提高放大器工作速度,其二增大输出阻抗。在这两方面,三极管都远比NMOS管优越。为了进一步提高放大器的增益,使用PMOS共源共栅结构作为第二级放大器的负载,除了可以提高增益外还提高了电路的电源抑制比。整个第二级可以

图1　OTA电路结构

Fig11　StructureoftheOTA

半导体技术第34卷第1期　　42

提供的增益大小与Cascade结构相当。另外还可以通过增加Q5、Q6集电极电流IC来增大放大器增

2009年1月

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益,不过这需要在输出摆幅和功耗之间进行折中考虑。第二级放大器的低频增益

A2=-gmQ5,6{rQ5,6∥[(gm4,5+gm4,5b)rO4,5rO2,3+rO4,5

器的基本参数如表1所示。图5为OTA版图

。

+rO2,3]}≈

-gmQ5,6{rQ5,6∥[(gm4,5+gm4,5b)rO4,5rO2,3]}

(2)

整个放大器的低频增益为

Av=A1×A2≈

gm1,2R1×gmQ3,4{rQ5,6∥[(gm4,5+gm4,5b)rO4,5rO2,3]}(3)

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