全差分CMOS运算放大器的设计

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摘 要:研究了一种全差分高增益、宽带宽CMOS运算跨导放大器(OTA)。 放大器采用三级折叠2级联结构,结合附加增益提高电路,大幅提高整个电路增益的同时获得较好的频率特性,采用0.35μm CMOS N 阱工艺设计。 HSPICE 模拟结果放大器的带宽为215 MHz(相位裕度62.2°),开环增益为103dB ,功耗仅为2.01mW。

 

关键词:运算跨导放大器(OTA);折叠-级联;增益提高;带宽       

 

设计原理 

  

一种采样频率为48kHz、过采样比为256的三阶三位Σ-ΔA/D调制器,设计中最关键部分就是积分器中的运算放大器。它不仅需要很高的增益来满足精度要求,还要有较大的单位增益带宽来满足过采样的速度要求,而这两个要求是互相制约、互为矛盾的。 实现宽带一般采用短沟器件、较大的偏置电流、单级设计;而实现高增益则一般采用长沟器件、较小的偏置电流、多级设计。 

    

本文给出了一种新颖的全差分CMOS运算放大器的设计方法,主电路采用三级折叠-级联结构,并利用增益提高技术,在保持较好频率响应的前提下,使电路增益明显提高;且附加电路易于设计和实现,只增加较少的功耗和芯片面积。 基于此方法的电路结构如图1 所示,主电路采用三级折叠-级联结构,信号通路上附加增益级和M2及M3共同组成一个大的反馈环路;负载通路上附加增益级和M5 组成一个反馈环路。

 


图1  三级级联附带增益提高结构(半边电路) 

 

增益的提高

 

假设负载阻抗无限大,分析图1 的信号通路,并假设图1 中附加增益放大器是具有直流增益为Aadd1的理想增益级,忽略M2及M3 的体效应, 计算电路输出阻抗的小信号模型如图2 所示。 通过计算得到

因设计时一般选择M2和M3尺寸相同,故式(1)可进一步简化为

低频本征增益

没有反馈环路时,M3 的栅极连接偏置电压, 其输出阻抗和低频本征增益分别为:

gm3 Ro3 Ro2Ro1 Ro3/ Ro2在同一个数量级,比较式(3)和(4)可以看出,本征增益大约提高gm1 gm3 A add1 Ro3 Ro1 。再来看看负载通路阻抗提高的情况。 通过小信号模型的分析,得

比之没有反馈环路前阻抗增加至少(Aadd2+1)倍。

 


图2 输出阻抗计算的小信号模型 

 

比较式(2)和(5)可以看出,信号通路反馈回路的这种接法比之负载电流源通路反馈回路的接法,前者阻抗没有后者增加得大。 对于全差分放大器,由于信号通路“看不到”负载通路的极点,负载通路的附加放大器(Aadd2)可不考虑其对主电路频率特性的影响, 因此采用后者的接法以便以较小的Aadd2的值即可满足对负载通路阻抗的要求。 

       

频率特性 

 

设图1中未附加增益级的原主电路的主极点频率(即输出极点) 用ωo1表示, 第一个非主极点(即图中B 点所代表的极点) 频率用ωo2表示, 第二个非主极点(即图中A 点所代表的极点) 频率用ωo3表示;附加放大器A add1的单位增益频率用ωa1表示。 

 

要想不影响原主电路的频率特性, 根据分析,图1中若将Aadd1附加放大器反馈至M2管( 同负载通路), 附加放大器设计需满足ωo2 <ωa1 < ωo3 ;本文给出的将Aadd1附加放大器反馈至M3 管这种接法, 附加放大器设计需满足ωo1 <ωa1 <ωo2 。 

     

可以看出本文给出的设计Aadd1附加放大器要求的单位增益频率在一个较低的范围内, 因此其实现相对要简单,不必在增益和带宽之间进行艰难的折衷。 

       

电路实现及模拟结果 

     

图3即为本设计的全差分OTA。主电路采用PMOS 输入对管,三级折叠2级联。附加放大器采用简单的共源放大即可,由于不必在增益和带宽之间进行折衷,可采用较小的偏置电流以降低功耗,Aadd1附加放大器靠共源放大管用宽沟道管来增大其增益;在共源放大管前面增加二极管连接晶体管作电平转移, 使其不影响主电路的输出信号摆幅,突出的优点是实现简单,不需增加额外的偏置电路。 采用开关电容共模反馈电路以稳定高阻输出节点的直流电压;偏置电路采用一个主控电流源并利用电流镜产生一些偏置电流(图5中未画出偏置电路部分) 。 另外电路中增加MP1和MP2管,其作用是提高放大器的转换性能。 

 

在高频下,精确测量全差分幅频及相频特性是很困难的,本文所有的模拟结果都是基于单端的,双端增益值应在测量值基础上乘以2。 放大器的主要性能参数如下:直流增益为103dB ;单位增益频率为215MHz;相位为62.2°;CL为0.1 pf ;功耗为2.01 mW;差动输出范围为±2.2 V ;电源为3.3 V。 

     

综上,本设计在需要高增益、低功耗同时也要求较高速度的场合不失为一种理想的选择。 设计的新颖之处在于附加放大器反馈环路的设计使得附加放大器设计中不需在增益和频率之间进行艰难的折衷,设计更灵活, 实现更容易, 且功耗和芯片面积增加较少。

 


图3  全差分OTA