最完整的全差分运算放大器设计

最完整的全差分运算放大器的设计

全差分运算放大器设计

唐长文 (011021361)，菅洪彦(021021061)

zwtang@, hyjian@

复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室

一、设计指标

在上华0.6um CMOS 2P2M 工艺上设计一个全差分运算放大器，设计指标如下：

直流增益 : >80dB

单位增益带宽 : >50MHz

负载电容 : 5pF

相位裕量 : >60°

增益裕量 : >12dB

s 差分压摆率 : >200Vµ=

共模电平 : 2.5V (VDD5V)

共模负反馈单位增益带宽 : >10MHz

= 等效输入噪声 :

20

输入失调电压 : <10mV

差分输出摆幅 : >±4V

二、运放结构选择

Vb1

CL

图1 共源共栅两级运算放大器

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运算放大器的的结构主要有三种: (a)

简单两级运放，two-stage；(b)折叠共源共栅，folded-cascode; (c)共源共栅，telescopic。该运算放大器的设计指标要求差分输出摆幅为±4V，即输出端的所有NMOS管的VDSAT,N之和小于0.5V，输出端的所有PMOS管的VDSAT,P之和也必须

小于0.5V。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，共源的输出级的结构，如图1所示。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，这里Miller补偿或者Cascode补偿技术用来进行零极点补偿。

三、性能指标分析

1. 差分直流增益 Adm>80dB

该运算放大器存在两级：（1）、Cascode级增大直流增益（M1－M8）；（2）、共源放大器 (M9-M12)

gm1gm3gm5, A1= Gm1Ro1= gm1(gm3ro1ro3//gm5ro5ro7)= 第一级增益 gm5go1go3+gm3go5go7

第二级增益 A2= Gm2Ro2= gm9(ro9//ro11)= gm9， go9+go11

整个运算放大器的增益：

gm1gm3gm5gm9Aoverall=A1 A2=≥104(80dB) gm5go1go3+gm3go5go7go9+go11

2. 差分压摆率 ≥ 200 V/us

转换速率（Slew Rate）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。

定义转换速率SR:

IC|max2IDS1dv= 输入级: SR≡out|max=dtCCCCC

单位增益带宽ωu=gm1CC，可以得到CC=gm1u

∴ SR=2IDS12IDS1ωu2IDS1ωu===Veff1ωu DS1CCgm1

Veff1

其中Veff1=VGS Vth因此，提高两级运算放大器转换速率的一种方法是尽可能增大管子M1的有效电压Veff1。

IC|maxdv2IDS9 输出级: SR≡out|max= =dtCCCC+CLC

该个运算放大器的转换率SR=3. IDS132IDS9, CCCC+CL

静态功耗: 该运放没有功耗指标，这里我们以15mW为例简单分析一下。

运放的静态功耗：

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Pstatic=(Vdd Vss)(IDS9+IDS10+IDS13)

静态功耗确定了整个电路的静态电流最大值为：

IDC=PStatic15mw=≈3mA （2） Vdd Vss5.0V 0V

我们将该电流分配到电路的不同的地方去。例如，100µA给偏置电路，2900µA给两级放大电路。这里完全是根据设计人员的经验来确定，有可能电流的分配并不能使整个电路达到全局最优。

4. 等效输入噪声 ≤

(thermal noise)

我们知道每一个晶体管都存在噪声电流源，其功率谱密

度为

S2

iDS2Kfgm2 =4KT(gm)+3fWLCox

热噪声 1/f噪声

我们忽略第二级的等效输入噪声，因为第二级的输入噪

声要除以第一级的增益。输入等效噪声为

2vn,in2 g22m7=2 vn1+ vn7 g m1 图2、NMOS管噪声电流源

5. 相位裕量 ≥ 60 度，单位增益带宽 ≥ 50 MHz

假设运放只有两个极点。（实际上，会有两

个以上的极点，同时还会在右半平面或者左半平

面的零点）。

p1和p2将会分由于密勒补偿电容Cc的存在，

开的很远。假定ωp1<<ωp2，这样在单位增益带

宽频率ωu处第一极点引入 90°相移，整个相位

所以第二极点在单位增益带宽频率处裕量是60°。

的相移是 30°。 PM≥60°, 1≈90°， 2=180° PM 1≤30°

ωpωpωu≤tan30°＝0.577 ≥1.73,取=

2 ωpωuωu222

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go1go3go5go7+gm3gm5(ggg+ggg)(g+g) m5o1o3m3o5o7o9o11， 另外，主极点ωp1 m9gm3gm5gm9CC(1+)CCgo9+go11

开环增益Ao=gm1gm3gm5gm9 gm5go1go3+gm3go5go7go9+go11

ωu=Ao ωp=1gm1 CC

为得到高的单位增益带宽，应该使非主极点p2最大化。

Telescopic两级运放中存在至少三个极点：

（1） Cascode点处（M1的漏极、M3的源极）的极点：

ωp,cascode=gm3 Cgs3+Cgd1+Cdb1+Csb3

（2） 补偿电容引入的主极点：

ωp=1(ggg+gm3go5go7)(go9+go11)， Go1=m5o1o3gm3gm5gm9CC(A2+1)CC

因为A2CC是一个非常大的电容值，因此由于密勒效应该极点是一个主极点。

（3） 输出极点：

该极点主要是由输出电容CL引起的。

ωp=outGo2=CL+Ceqgm9CL+CCCC+Cp， Cp

CC+Cp

=gm9CC CLCC+CLCp+CCCp

M9 栅极电容Cp=Cgs11+Cdb3+Cdb5

∵Cp<<CL ∴ωpout ggm9CC，而且∵CC>>Cp ∴ωpout=m9 CLCLCC+CLCp

这三个极点从小到大的顺序以此为:

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第一极点：ωp1=(gm5go1go3+gm3go5go7)(go9+go11)， gm3gm5gm9CC

gm9gm3，第三极点：ωp3= CLCgs3+Cgd1+Cdb1+Csb3第二极点：ωp2=6. 共模负反馈: CMFB

为了稳定全差分运放输出共模电压，必须设计共模负反馈电路。在设计输出平衡的全差分运算放大器的时候，必须考虑到以下几点[1]:

共模负反馈的开环直流增益要求足够大，最好能够与差分开环直流增益相当；

共模负反馈的单位增益带宽也要求足够大，最好接近差分单位增益带宽；

为了确保共模负反馈的稳定，一般情况下要求进行共模回路补偿；

共模信号检测器要求具有很好的线性特性；

共模负反馈与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的。

图4是一种共模负反馈实现结构[1]，该结构共用了共模放大器和差模放大器的输入级中电流镜及输出负载。这样，一方面降低了功耗；另一方面保证共模放大器与差模放大器在交流特性上保持完全一致。因为共模放大器的输出级与差模放大器的输出级可以完全共用，电容补偿电路也完全一样。只要差模放大器频率特性是稳定的，则共模负反馈也是稳定的。这种共模负反馈电路使得全差分运算放大器可以像单端输出的运算放大器[7]一样设计，而不用考虑共模负反馈电路对全差分运算放大器的影响。

图4 共模、差模输入放大器

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7.

电压偏置电路：宽摆幅电流源

Vb1

Vb2

图5 宽摆幅电流源

在共源共栅输入级中需要三个电压偏置，为了使得输入级的动态范围大一些，图5中的 …… 此处隐藏：2937字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……