最完整的全差分运算放大器设计(2)

1 2pfCC

gm9=→4.71m 1)(W()9==103.6, L2×119×10 6×900×10 62

取 (

4. 2IW100µm2×900uA，M9管的有效电压Veff9=DS9=)9==0.254V 1µmLgm97.065m 1电流源偏置管和Cascode管的尺寸

假定电流源偏置管M13、M11、M12、M7和M8，和Cascode管M3-M6的有效电压Veff=0.3V，这样可以计算出所有管子的尺寸参数。

假定Veff132IDS13W2×400×10 6W160µm=0.3V, 则 ()13=，= 161.0==()1322 6µpCoxVeffLµmL55.2100.3××113

W)11I9=DS11=IDS134()13L(→()11=(12=()13=362.3， (11=()12=WLWL9W4LWLWL360µm 1µm

M11-M12管子的有效电压，Veff11=Veff12=0.3V

假定Veff,72IDS7W2×300×10 6WW60µm==56.0=0.3V, 则 ()7=，== ((782µnCoxVeffL119×10 6×0.32LL1µm,7

假定Veff,52IDS5W2×300×10 6WW60µm56.0=0.3V, 则 ()5=，== ==()(5622 6µnCoxVeffLLµmL119100.3××1,5

2IDS3W2×300×10 6WW120µm==120.1=0.3V, 则 ()3=，== ()(34 622××L55.2100.3µnCoxVeffLLµm1,3

2IDS32×300×10 6

===2m 1 Veff30.3假定Veff,3 Cascode管M3的跨导为，gm3

5. Miller补偿电阻RC的确定

我们将零点从右半平面移动左半平面，并且使其为单位增益带宽频率ωu的1.2倍，

则， RC≈1=885 。 1.2gm1

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6. 偏置电路的管子尺寸

根据所有MOS的有效电压，我们可以计算出偏置电压Vb1-Vb4的值。

Vb1=Vdd (VTH,P+VDS,13)=5 (1.0V+0.3V)=3.7V

Vb2=VIN,COM+VSG,1 VSD,1 VSG,3=VIN,COM+(VTH,P+Veff,1) VSD,1 (VTH,P+Veff,3)

=2.5V+(1.0V+0.318V) 0.3V (1.0V+0.3V)=2.218V，由于衬偏效应，取Vb2=2.1V

Vb3=VTH,N+VDS,7+VDS,5=0.73V+2×0.3V=1.33V

Vb4=VTH,N+VDS,7=0.73V+0.3V=1.03V

偏置电流Ibias=25uA，计算可以得到MB1-MB12管的尺寸为，

10µm10µm2.5µm W 5µm W W W W W ， ， =， == = = =1µm L B1 L B2 L B32µm L B5 B91µm L B4 L B10 121µm

7. 共模负反馈的管子尺寸

共模负反馈放大器输入级与差模放大器输入级相匹配，直流工作电流相同。为了提高增益也采用Cascode结构，因此管子尺寸为，

160µm1 W 40µm W W W W W W 100µm， = == =， == = = =1µm2 L 12µm2µm L 14 L 13 L 15 L 16 L 17 L 1

2 W 80µm W 2 W 40µm W W ， = = =。 == =3131LLµmLLLµm 18 3 19 20 5

8. 开环增益的确定

假设NMOS管与PMOS管的λ相等，λn=λp=λ

Ao=gm1gm3gm5gm11 gm5go1go3+gm3go5go7go9+go11

gm1gm3gm5

=4gm5(λIDS13)+4gm3(λIDS13)gm9ggg 2 1 3=m1m3m11IDS≥104 13IDS11λλIDS11+λIDS1116

得到λ≤0.088。

假设CSMC 0.6µm 工艺中的λn=0.1V 1,λp=0.2V 1，则L取1µm基本能够满足直流增益指标。

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五、SPICE仿真

1． DC工作点与AC特性

首先我们在输入端为2.5V共模电压的情况下，进行直流工作点的分析，对某些MOS管进行修改和调整。手工计算和SPICE仿真的管子尺寸如表格1所示。

表格一、管子尺寸、工作电流与有效电压 IDS MOS 管（计算值）

80µm/2µm 200µAM1 M2 M17

M3 M4

M5 M6

M7 M8

M9 M10

M11 M12

M13 M14

M15 M16

M18

M19

M20

MB1 MB2 MB3

MB4

MB5 MB6

MB13

MB7 MB8

MB14

MB9

MB10

MB11

MB12

120µm/1µmµA60µm/1µmµA60µm/1µmµA100µm/1µmµA360µm/1µm 900µA160µm/1µmµA40µm/2µmµA80µm/1µmµA40µm/1µmµA40µm/1µmµA10µm/2µmµA2.5µm/1µmµA10µm/1µmµA10µm/1µmµA10µm/1µmµA5µm/1µmµA5µm/1µmµA1.25µm/1µm 25µAVeff

0.425V 0.3V 0.3V 0.3V 0.254V 0.3V 0.3V 0.425V 0.3V 0.3V 0.3V 0.290V 0.602V 0.30V 0.30V 0.30V 0.290V 0.290V 0.580V W/L（仿真）100µm/2µm120µm/1µm60µm/1µm60µm/1µm100µm/1µm300µm/1µm160µm/1µm40µm/2µm80µm/1µm40µm/1µm40µm/1µm10µm/2µm2.5µm/1µm10µm/1µm10µm/1µm10µm/1µmIDS 227µA 341µA 341µA 341µA 1000µA 1000µA 454µA 114µA 227µA 227µA 227µA 25µA 26.4µA 26µA 26µA 26µA Veff 0.621V 0.369V 0.282V 0.298V 0.340V 0.396V 0.385V 0.528V 0.368V 0.283V 0.297V 0.277V 0.854V 0.361V 0.382V 0.356V 0.274V 0.327V 0.797V 5µm/1µmµA 5µm/1µmµA 1µm/1µm 26µA

图7 压摆率测试电路图

图6 AC频响测试图

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图8 AC 特性PLOT

图 直流增益: 83.4dB 单位增益带: 55.3MHz 相位裕度: 81.6° 增益裕量: 22.8dB

2． 阶跃响应特性

图

9 压摆率 图10 建立时间

开环压摆率: 202 Vµs

闭环建立时间: 50ns

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3． 共模负反馈

直流增益: 86.9dB

单位增益带宽: 45.8MHz

相位裕度: 80°

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4． 输出动态范围 图13 闭环连接 (增益为-10)

将全差分运放连接成增益为-10

的形式，在输入端施加峰峰值为0.4V的差分信号。然后对输入信号进行FFT分析，得到谐波失真总量THD。通过扫描输入信号幅度，

我们可以得到最大失真为0.1%时的输出动态幅度。

±4.6V(THD=0.1%) 输出动态范围:

5． 共模抑制比

共模抑制比的测试需要两个运放电路，一个连接成差模放大；另外一个连接成共模放大。

图14共模抑制比，CMRR

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6． 电源抑制比

电源抑制比的测试，与共模抑制比相类似，需要两个运放电路，一个连接成差模放大；另外一个在电源vdd或者地vss上加一交流小信号。

图

15 pPSRR 图16 nPSRR

图17 PSRR

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7． 等效输入噪声特性

等效输入噪声的测试可以与AC特性测试一同进行。

图17 等效输入噪声

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