0.6μmCMOS工艺全差分运算放大器的设计

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0 引言

运算放大器是数据采样电路中的关键部分,如流水线模数转换器等。在此类设计中,速度和精度是两个重要因素,而这两方面的因素都是由运放的各种性能来决定的。

 

本文设计的带共模反馈的两级高增益运算放大器结构分两级,第一级为套筒式运算放大器,用以达到高增益的目的;第二级采用共源级电路结构,以增大输出摆幅。另外还引入了共模反馈以提高共模抑制比。该方案不仅从理论上可满足高增益、高共模抑制比的要求,而且通过了软件仿真验证。结果显示,该结构的直流增益可达到80 dB,相位裕度达到80°,增益带宽为74 MHz。

 

1 运放结构

通常所用的运算放大器的结构基本有三种,即简单两级运放、折叠共源共栅和套筒式共源共栅。其中两级结构有大的输出摆幅,但是频率特性比较差,一般用米勒补偿,可使得相位裕度变小,因而电路的稳定性会变差;套筒式的共源共栅结构,虽然频率特性较好,又因为它只有两条主支路,所以功耗比较小。但是这些都是以减小输入范围和输出摆幅为代价的。因此,为了缓解套筒式结构对输入电压范围的限制,本文提出了折叠式运算放大器结构的思路。折叠式结构比套筒式结构有更大的输入共模电平范围,但却以减小增益和带宽,增大噪声和功耗为代价的。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大,因此,本文选择套筒式共源共栅结构作为输入级,最后选择了如图1所示的全差分结构的两级运放结构。

 

全差分结构的两级运放结构

 

1.1 主运放结构

全差分运算放大电路对环境噪声具有更强的抑制能力。而套筒式结构则具有高增益、低功耗以及频率特性好等特点。因此,第一级放大结构(即M0~M8)采用套筒式全差分放大器结构作为输入级。第二级(即M9~M11)为共源结构,以改善套筒式结构输出摆幅小的缺点,同时相应提高运算放大器的开环增益。但是,随着级数的增加,必然会增加电路的零极点,这对系统稳定性的要求更高。因此,必须引入补偿电容C3来补偿额外的极点,使电路的相位裕度能满足要求,并使性能稳定。另外,图1申的VB1用于提供尾电流镜偏置,VB2和VB3分别用于为PMOS和NMOS提供静态直流偏置,这三个偏置电压均提供有偏置电路。

 

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