两级全差动运算放大器的设计.docx
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两级全差动运算放大器的设计
华中科技大学
IC课程设计
两级全差动运算放大器的设计
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二零一一年十二月
摘 要
应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。
可以满足一定的高速度、高精度的指标。
两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。
通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。
因此，优于一些传统的两级运算放大器。
关键词：
全差动运算放大器；共源放大器；折叠式放大器
Abstract
AfullydifferentialoperationalamplifierwithaDC-gainof86dBandagain-bandwidthof360MHzhasbeenimplementedina0.18umCMOSprocess.Itcansatisfytheindexofhighspeedandhighprecision.Andthetwolevelisrespectivelymadeupofacommon-sourceamplifierandaFoldingamplifier.Therefore,itisbetterthansomeofthetraditionaloperationalamplifier.
Keywords:
fullydifferentialoperationalamplifier;common-sourceamplifier;Foldingamplifier
摘 要 1
Abstract 2
1.引言 3
2.两级全差动运算放大器设计要求 4
3.电路分析与设计 4
3.1.第一级运算放大器设计 5
3.1.1第一级差模电压增益 5
3.1.2.共模电压输入范围 6
3.1.3.第一级增益带宽积GBW 6
3.1.4.第一级MOS管宽长比 7
3.1.5.第一级仿真结果 7
3.2.第二级运算放大器设计 8
3.2.1.第二级差模电压增益 8
3.2.2.偏置电压与偏值电流 8
3.2.3.增益带宽积与负载电容 9
3.2.4.第二级MOS管宽长比 9
3.2.5.第二级仿真结果 9
3.3.两级联仿 10
3.3.1.差分压摆率 10
3.3.2.静态功耗 11
3.3.3.等效输入参考噪声 11
3.3.4.相角裕度 12
3.3.5.两级联仿结果 12
4.结论 13
致 谢 13
参考文献 14
心得体会 14
1.引言
随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。
全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。
另外，差动输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。
因此，本文讨论并设计了满足一定要求的差动输入——差动输出（即全差动）运算放大器。
2.两级全差动运算放大器设计要求
根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18umCMOS工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：
电源电压：
1.8V
第一级增益：
≥20dB
第一级GBW:
≥500MHz
两级增益：
≥80dB
相位裕度：
≥60o
差分压摆率：
≥200V/us
等效输入参考噪声：
200nV/
@1MHz
负载电容：
≤1pF
静态功耗：
尽可能小
3.电路分析与设计
首先，可以对典型的差动输入——差动输出运算放大器进行分析，通常运算放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。
这些部分在电路工作的时候都起到了不同的功能。
下面介绍一下全差动运算放大器各功能模块的作用。
典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：
输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪声能力和失调性能。
高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆幅。
差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度增加了一倍。
偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和温度而变化。
为了保证运放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大级）。
但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。
因此，我们最终还是要的运放的整体性能。
3.1.第一级运算放大器设计
首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下：
图1第一级放大电路
3.1.1第一级差模电压增益
由第一级放大电路，可以推算出：
又因为，
因此，
3.1.2.共模电压输入范围
已知电源电压
=1.8V，并且只有当栅源电压
大于开启电压
，且
时，场效应管才能工作于饱和区。
因此，
所以共模电压输入范围为
，取
=0.9V。
3.1.3.第一级增益带宽积GBW
要求第一级放大器的增益带宽为GBW=500MHz，我们取负载电容为
=0.4pf,根据公式:
得到
。
因此，再根据公式：
得到通过输入管的电流为
所以
。
再根据公式：
得到
3.1.4.第一级MOS管宽长比
通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：
MOS管
W/m
L/m
Mn1、Mn2
5.645u
180n
Mipp、Mipn
700u
180n
Mp2
900u
1u
Mp1
100u
1u
3.1.5.第一级仿真结果
在设置参数如下时，
可以得到第一级的波特图。
从图上可以看到第一级的增益和增益带宽积为：
因此，满足第一级的设计要求。
图2
3.2.第二级运算放大器设计
首先，把第二级运算放大器的电路图画出来，如下图：
图3.第二级放大电路
3.2.1.第二级差模电压增益
由第二级放大电路图，可以得到第二级差模电压增益为
因为两级放大后的总增益要大于80dB，又知道第一级差模电压增益
。
因此，第二级差模电压增益
。
3.2.2.偏置电压与偏值电流
由第二级放大的电路图，因为Vdd=1.8V，输入管与共源共栅管并联，我们假设每个管子平均分压为0.6V，那么可以简单地估算出管子Mp1、Mp3、Mn1它们的偏置电压分别为
。
假设Mn1管提供的偏置电流为Iss，它为输入管与共源共栅管提供电流，提供给Mp1管的电流为I1,提供给Mp3的电流为I2，那么，
。
因此，折叠结构的运算放大器一般消耗更大的功耗。
我们在本设计中取偏置电流为10uA。
3.2.3.增益带宽积与负载电容
由于第一级的增益带宽积为500MHz，第二级的增益带宽积可以稍小于第一级的增益带宽积。
由公式
，其中
为负载电容。
所以
3.2.4.第二级MOS管宽长比
通过运用Hspice仿真，并经过多次地修改各个MOS管的宽长比，最终得到各宽长比为：
MOS管
W/m
L/m
Mn1、Mn2
400n
1u
Mn3、Mn4
800n
400n
Mn5、Mn6
3u
280n
Mp1、Mp2
800n
300n
Mp3、Mp4
5.38u
300n
Minp、Minn
2u
300n
3.2.5.第二级仿真结果
把参数设置如下
进行仿真得到如图结果。
我们可以看到第二级的差模电压增益为56dB,满足
图4
3.3.两级联仿
把第一级放大和第二级放大电路串联起来，得到两级联仿的电路图如下：
图5.两级联仿电路图
3.3.1.差分压摆率
差分压摆率，即转换速率，是当放大器在大信号输入时，输出电流的最大驱动能力，定义为
利用上面的公式可以得到，
第一级的转换速率:
其中
为第一级放大器的负载电容，它实际上是管子寄生电容的总和。
第二级的转化速率：
，其中
为补偿电容，
为负载电容。
所以，放大器的转换速率为
因此，放大器的转换速率
。
3.3.2.静态功耗
运算放大器的静态功耗为
。
其中
为静态电流。
如果静态功耗确定下来了，那么就可以确定整个电路的工作电流。
因为设计要求要使静态功耗尽可能地小，又因为
已经确定。
因此，要使静态功耗尽可能地小，可以采取源极反偏法、双阈值法、多阈值法或变阈值法。
3.3.3.等效输入参考噪声
我们知道每一个MOS管都有一个可以等效到栅端的输入参考噪声，如图所示。
图6.MOS管的噪声来源和等效输入参考噪声
所以，它的等效输入参考噪声可以写成
式中右边的第一项表示由于沟道电阻产生的热噪声在输入端的表现，第二项表示MOS管的闪烁噪声。
由于第二级的噪声要除以第一级的增益才反映到输入端，因此会比较小，所以可以忽略不计。
因此，整个电路的输入端噪声主要来自于第一级。
所以，整个电路的输入端的等效参考噪声可以表示为
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