用于高速高分辨率ADC 的C M OS 全差分运算放大器的设计

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全差分运算放大器设计概要

全差分运算放大器设计概要全差分运算放大器是一种常见的电子电路，它可以将输入信号的差分放大，并在输出端提供差分信号。

全差分运算放大器广泛应用于模拟与数字信号处理中，如低噪声放大器、滤波器和交叉耦合放大器等领域。

本文将介绍全差分运算放大器的设计概要，包括电路结构、设计要点和性能指标等。

[图片]该电路由两个共模反馈放大器组成，其中一个作为正放大器，另一个作为负放大器。

输入信号通过差分输入端口加到两个反馈放大器上，经过放大后，在输出端口提供差分信号。

为了保证优良的性能，必须对电路的参数进行适当的设计和调整。

首先，需要确定全差分运算放大器的增益要求。

增益是指输出信号与输入信号之间的比例关系。

在不同的应用中，增益要求可能不同。

根据增益要求，可以选择合适的放大器型号和电路拓扑结构。

其次，需要选择适当的放大器元件。

放大器元件包括晶体管、电阻、电容等。

选择合适的元件是设计成功的关键。

晶体管的选择要考虑其增益、噪声系数、带宽等指标。

电阻和电容的选择要考虑其阻值、容值、精度等因素。

然后，需要确定电路的偏置方案。

全差分运算放大器需要提供适当的偏置电压，以确保电路能够正常工作。

偏置电压的选择要考虑元件的工作状态和参数的稳定性。

常见的偏置方案包括电流镜偏置、电流源偏置等。

设计完成后，需要对电路进行性能测试和优化。

性能测试包括增益、带宽、噪声系数、非线性失真等指标的测试。

根据测试结果，可以进行相应的电路优化，以满足设计要求。

最后，需要对电路进行可靠性分析。

可靠性分析是为了确保电路在长时间工作过程中不会出现故障。

可靠性分析包括温度分析、电路重要参数的敏感度分析等。

全差分运算放大器设计的关键在于电路的结构和元件的选择。

合理的电路结构和适当的元件选择可以使电路具有较高的增益、宽带和低噪声等性能。

此外，还需要注意电路的偏置方案和可靠性分析，以确保电路的正常工作和长时间可靠性。

总之，全差分运算放大器是一种重要的电子电路，具有广泛的应用前景。

全差分CMOS运算放大器的设计毕业设计

CMOS运算放大器的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日目录第一章绪论 (7)1.1设计平台及软件介绍 (7)1.1.1PSPICE简介 (7)1.1.2 L-Edit简介 (7)1.1.3 Cadence OrCAD Capture简介 (7)1.2 设计方法 (8)1.2.1CMOS运算放大器设计方法 (8)1.2.2运算放大器的性能优化 (8)第二章全差分运算放大器基础 (10)2.1 MOS器件基本特性 (11)2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性 (11)2.1.2 MOSFET的小信号模型 (12)2.2运算放大器概述 (13)2.3全差分运算放大器特点 (14)第三章CMOS模拟运放设计 (16)3.1设计目标 (16)3.2电路结构分析 (16)3.3.1 输入级设计 (18)3.3.2电流镜电路 (18)3.3.3偏置电路 (19)3.3.4 输出级 (20)3.3.5 整体电路 (20)第四章运放参数的模拟与测量 (22)4.1瞬态分析 (22)4.2 温度特性 (23)4.3输出阻抗 (24)4.4交流特性分析 (25)5.1版图设计基础 (26)5.1.1设计流程 (26)5.1.2 L-edit中的版图设计 (27)5.2 版图设计 (28)5.3版图参数的提取并仿真 (29)5.3.1版图参数的提取和修改 (29)5.3.2电路仿真 (29)第六章总结 (31)【参考资料】 (32)附录： (33)一、Pspice仿真代码： (33)1、原理层次仿真代码（偏置电压由直流电压直接替代） (33)2、MOS分压电路中MOS宽长比确定电路 (35)3、最终Pspice仿真代码 (35)二、版图生成代码 (37)三、版图修改代码 (40)第一章绪论1.1设计平台及软件介绍1.1.1 PSPICE简介PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。

低电压高速CMOS全差分运算放大器设计双

ｌ运放结构分析和选择
运算放大器的设计首先要根据其用途选择一种合适的电路结构，从运放的建立时问、开环增益、单位增益带宽、相位裕度、输入共模范围、输出摆幅、功耗等方面性能的限制进行结构设计。常见的全差分运算放大器有下面几种类型：两级（ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ）式、套筒共源共栅（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ）式、折叠共源共栅（ｆｏｌｄ—ｃａｓｃａｄｅ）式。
４‘结语
本文使用ＴＳＭＣ公司的ＣＭ０２５工艺
设计并实现了一个低压高速全差分运算放
大器。采用折叠共源共栅结构，在达到较高
的带宽同时，增大了输出摆幅。连续时间共
模反馈电路以及低压宽摆幅偏置电路，实现
（１）信置电路ＯＯ半电路小信号等效模型
图３偏置电路及半电路小信号等效模型
了电路的高稳定性。该运放在２．５Ｖ电源电压下，’单位增益带宽可以达到５０１ＭＨｚ，直流增益７１．６ｄＢ，相位裕度５１。，功耗
Ｐ。《Ｐ，，更接近于原点，因此Ｐ２为折叠共源共栅运放的主极点，Ｐ。为次极点。
要提高开环增益Ａ。，可以采取增加Ｍ８，Ｍ９的跨导和
１５】
沟逝长度，但将引起其源极寄生电容的增加和漏源饱和电正减小，从而降低运放的次极点频率。同样增加Ｍ１０，Ｍ１１的沟道长度，会使Ａ。增加而次极点频率减小。考虑到Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７不在信号通路上，因此可以增加其沟道长度球增加输出阻抗，而不降低工作速度。
△ｇＭ９（ｒ２／／ｒｌｏ）ｒ９Ｒ。。“Ｍ７一ｒ４＋ｒ７［１＋（ｇＭ７＋ｇＭ７ｂ）＾］
△ｇＭ７ｒ７ｒ４ｒ为ＭＯＳ管的小信号输出电阻。负载电容Ｃ。远大于ＭＯＳ管各端的寄生电容，ＣＬ△ｃＤ瞰＋ＣＤ曲＋ＣＤ酊。。
节点１对应的极点Ｐ。：
Ｐ－＝一石万勿习丽ｉ１冠ｉ而△一等
节点２对应的极点Ｐ。：

全差分运算放大器设计

全差分运算放大器设计全差分运放（Fully-Differential Amplifier，简称FDA）是一种特殊的运放，它具有两个差动输入和两个差动输出。

全差分运放具有许多优点，包括良好的共模抑制和电源抑制比，适用于高精度传感器信号放大、功率放大和模拟信号处理等领域。

在这篇文章中，我将介绍全差分运放的设计原理和步骤。

首先，我们需要确定设计的要求和规范。

这包括增益要求、带宽要求、电源电压和输入输出电阻等参数。

根据这些要求，我们可以选择合适的运放器件和电路拓扑。

全差分运放的常见电路拓扑有两级差分放大器、共射共源放大器和增益交换放大器等。

在这里，我们以两级差分放大器为例进行设计。

第一步是选择运放器件。

我们需要根据设计要求选择适合的运放器件，可以根据其增益带宽积、供电电压范围和失调电流等参数进行选择。

一般来说，我们可以选择低失调电流、高增益带宽积和低电压噪声的器件。

第二步是确定电路拓扑。

在两级差分放大器中，第一级是差分放大器，第二级是共射共源放大器。

差分放大器的作用是提供高输入阻抗和共模抑制比，共射共源放大器的作用是提供电流放大和驱动能力。

由于这两级放大器要分别满足不同的要求，我们可以选择不同的放大倍数和器件参数来优化电路性能。

第三步是确定偏置电路。

偏置电路的作用是提供恒定的工作电流，这可以通过电流源和电阻网络来实现。

偏置电流的选择要根据运放器件的要求和特点，可以使用恒流源或电流反馈等方法来实现。

第四步是确定反馈电路。

反馈电路的作用是控制放大倍数和增益稳定性，可以使用电阻、电容或者电流源等元件来实现。

选择适当的反馈方式可以减小失调电压和非线性，提高性能。

第五步是进行电路仿真和优化。

通过电路仿真，我们可以验证设计的性能和满足要求。

优化可以通过调整电路参数和进行迭代仿真来实现，以达到设计要求。

第六步是进行电路布局和线路板设计。

在设计布局时，要注意分离放大器电路和干扰源，减少电源和信号线的串扰。

线路板设计要保证差分信号走线的对称性和阻抗匹配，以提高传输性能。

一种新型高速CMOS全差分运算放大器设计

一种新型高速CMOS全差分运算放大器设计宋奇伟;张正平【摘要】A low-voltage high-speed CMOS fully-differential operational amplifier based on the pipelined ADC was designed. The operational amplifier combining the amplifying structure of folded cascode with a novel continuous time CMFB circuit achieves high speed and high stability. The Spectre simulation of the operational amplifier is implemented on the basis of SMIC 0. 25 ? M CMOS standard process model under Cadence. At the voltage of 2. 5 V single power supply, the open loop DC gain is 71. 1 dB, the unity gain bandwidth is 303 MHz, the phase margin is 52°, the slew rate is 368. 7 V/μs and the settling time is 12. 4 ns while the load capacitance is 0. 5 pF.%设计了一种基于流水线模/数转换系统应用的低压高速CMOS全差分运算放大器.该运放采用了折叠式共源共栅放大结构与一种新型连续时间共模反馈电路相结合以达到高速度及较好的稳定性.设计基于SMIC0.25μmCMOS标准工艺模型,在Cadence环境下对电路进行了Spectre仿真.在2.5V单电源电压下,驱动0.5pF负载时,开环增益为71.1dB,单位增益带宽为303MHz,相位裕度为52°,转换速率高达368.7V/μs,建立时间为12.4ns.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)004【总页数】4页(P166-168,172)【关键词】高速运算放大器;全差分;折叠式共源共栅;共模反馈【作者】宋奇伟;张正平【作者单位】贵州大学理学院,贵州贵阳550025;贵州大学理学院,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TN919-34随着数/模转换器(DAC)、模/数转换器(ADC)的广泛应用，高速运算放大器作为其核心部件受到越来越广泛的关注和研究。

采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算放大器的设计

采用折叠式共源共栅结构实现高速CMOS全差分运算放大器的设计折叠式共源共栅结构是一种常用于高速CMOS全差分运算放大器设计的电路结构。

它结合了共源和共栅结构的优点，在设计高速差分运算放大器时具有重要的应用价值。

在设计高速CMOS全差分运算放大器时，首先需要确定电路的工作频率和增益要求。

然后，根据设计要求选择合适的MOS管尺寸以及电路拓扑结构。

在采用折叠式共源共栅结构之前，我们先来了解一下共源和共栅结构的特点。

共源结构是一种常见的差分放大器结构，它提供了较大的增益和较高的输入阻抗，但由于电流镜电路(如PMOS电流镜)的引入，使得其增益和频率特性受到限制。

共栅结构是一种常见的高速差分放大器结构，它具有良好的增益和频率特性，但输入阻抗较低。

因此，为了综合考虑增益、频率特性和输入阻抗，我们可以采用折叠式共源共栅结构。

折叠式共源共栅结构的基本原理是将两个共源结构和两个共栅结构连接在一起形成一个差分放大器。

其中，一个共源结构用作输入级，另一个共源结构用作输出级。

同时，一个共栅结构用于提供增益，另一个共栅结构用于提供带宽。

具体来说，折叠式共源共栅结构的输入级包含一个共源结构和一个共栅结构。

其中，共源结构的输入端连接输入信号，输出端通过一个电流源连接到共源结构的源极。

共栅结构通过一个电流源连接到共源结构的源极。

这样，共源结构和共栅结构共同构成输入级。

折叠式共源共栅结构的输出级也包含一个共源结构和一个共栅结构。

其中，共源结构的源极通过一个电流源连接到地，栅极接受输入信号。

共栅结构的源极通过一个电流源连接到共源结构的源极。

这样，共源结构和共栅结构共同构成输出级。

在折叠式共源共栅结构中，输入级的共源结构和共栅结构提供了较大的增益和较高的输入阻抗，输出级的共源结构和共栅结构提供了较大的带宽和较低的输出阻抗。

通过适当选择MOS管的尺寸和电流源的电流，可以实现高速差分运算放大器的设计要求。

综上所述，采用折叠式共源共栅结构可以实现高速CMOS全差分运算放大器的设计。

毕业设计(论文)-cmos运算放大电路的版图设计[管理资料]

目录摘要 (3)第一章引言 (3)§ (3)§ CMOS 电路的发展和特点 (5)第二章CMOS运算放大器电路图 (8)§Pspice软件介绍 (8)Pspice运行环境 (12)Pspice功能简介 (12)§CMOS运算放大器电路图的制作 (14)§小结 (20)第三章版图设计 (20)§L-EDIT软件介绍 (20)§设计规则 (21)§集成电路版图设计 (24)PMOS版图设计 (24)NMOS版图设计 (27)CMOS运算放大器版图设计 (27)优化设计 (32)第四章仿真 (40)§DRC仿真 (41)§LVS 对照 (42)第五章总结 (48)附录 (50)参考文献 (52)致谢 (53)摘要介绍了CMOS运算放大电路的版图设计。

并对PMOS、NMOS、CMOS运算放大器版图、设计规则做了详细的分析。

通过设计规则检查（DRC）和版图与原理图对照（LVS）表明，此方案已基本达到了集成电路工艺的要求。

关键词：CMOS 放大器 NMOS PMOS 设计规则检查版图与原理图的对照AbstractThe layout desigen of CMOS operation amplifer is presented in this the layouts and design rules of PMOS,NMOS, and CMOS operation amplifer. The results of design rule check(DRC)and layout verification schmatic(LVS) shown that the project have already met to the needs of IC fabricated processing. Keywords: CMOS Amplifer NMOS PMOS DRC LVS第一章引言1．1 集成电路版图设计的发展现状和趋势集成电路的出现与飞速发展彻底改变了人类文明和人们日常生活的面目。

一种用于高速高精度ADC的电压基准源设计

冯朝坤，冯维元，顾川，许巧丽
６０５；１０４
２河南省电力公司洛阳供电公司，河南洛阳．４０９７１０）
（．１电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四）成都ｌｌ
摘要：针对电压基准源对流水线结构的高速高精度ＡＣＤ的性能影响进行了建模分析．提出
第年月
蘧钎雾
Ｖ１ｏｏ２．．Ｎ３１
Ｍａ．２０ｒ０１
ｄｉ０３６０ｉｎ１６－７５２１．．１ｏ：．９．ｓ．３４９．００００７１９ｓ５３
一
种用于高速高精度ＡＣＤ的电压基准源设计
由于流过Ｒ和Ｒ的电流，正比与Ｎ，故可４５ＮＬＬ
表示为：
可以得到ＤＬ基准电压源温度系数的要Ｎ对
＝
求，即温度系数Ｔ￣６８ｐ／ｃ．ｐｍ％。式中，１室＜４Ｄ为
温２ｏ时的基准电压值。５Ｃ
放的ｄ近１ｄ趋；三是引入预校正技术，即通过一个反馈电路将电源电压稳定在，并由Ｖ为基
准电路供电，以有效提高ＰＲＳＲ。本文的电路结构除采用共源共栅电流镜技术外，所加入的电源抑制比提高电路还可使运放的Ａ削近１趋，从而大大提高基准源的电源抑制比。
统集成技术的提出．对模拟集成电路基本模块（／如ＡＤ、ＤＡ转换器、滤波器以及锁相环等电路）／提出了更高的精度和速度要求。这也就意味着系

ADC中高速比较器的设计文献综述

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ ADC中高速比较器的设计+文献综述摘要模数转换器(ADC)作为模拟电路和数字电路之间的转换电路，是众多电子类产品的重要模块。

随着视频、通讯等技术的迅速发展，高速、中分辨率ADC 的需求日益增长。

比较器作为ADC的关键模块，其速度、功耗等性能对整个转换电路的速度和功耗都有着至关重要的影响。

本论文基于预放大再生理论，采用SMIC 1.2V 0.065μm CMOS工艺，设计了一种适用于SAR ADC 的高速低功耗比较器电路，并进行了版图设计。

该比较器由前臵预放大级、锁存级和输出级构成。

前臵放大器的引入提高了比较器的速度，并降低了锁存器的失调电压。

同时采用均衡补偿技术，有效地抑制了回馈噪声。

电路的仿真均是在Cadence环境中进行。

仿真结果显示，在1.2V电源电压条件下，当时钟频率为1GHz1 / 22时，比较器功耗为0.3936mW，失调电压在-0.3mV到0.1mV之间。

比较器能够满足SAR ADC的性能要求。

8668关键词CMOS比较器预放大正反馈锁存器回馈噪声毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesign of high speed low power comparator for ADCsAbstractAnalog-to-digital converters (ADCs) are important building blocks in many electronic products. The requirements for high-speed, medium-resolution ADC keep growing with the rapid development of video and communication technology. The speed and power consumption of the ADC is critically affected by the speed, power consumption and other properties of the comparator, which is a key module of the ADC.---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------The thesis is based on pre-amplification and regeneration theories. The high speed low power comparator is designed for SAR ADCs. And it's designed in the SMIC 0.065μm CMOS process with a supply voltage of 1.2V. The comparator is formed with a pre-amplifier stage, a latch stage and an output stage. The speed is improved and the offset voltage is reduced both by the pre-amplifier, and the kickback noise is inhibited by the neutralization technique.一般地，电子类产品的控制信号与处理信号是数字信号，而现实世界存在的以及电子产品间的通信信号为连续变化的模拟信号，这就需要将模拟信号转换为可以被处理的数字信号。

一种带有增益提高技术的高速CMOS运算放大器设计

一种带有增益提高技术的高速CMOS运算放大器设计宋奇伟;陆安江;张正平【摘要】设计了一种用于高速ADC中的高速高增益的全差分CMOS运算放大器。

主运放采用带开关电容共模反馈的折叠式共源共栅结构,利用增益提高和三支路电流基准技术实现一个可用于12~14 bit精度,100 MS/s采样频率的高速流水线（Pipelined）ADC的运放。

设计基于SMIC 0.25μm CMOS工艺,在Cadence环境下对电路进行Spectre仿真。

仿真结果表明,在2.5 V单电源电压下驱动2 pF负载时,运放的直流增益可达到124 dB,单位增益带宽720 MHz,转换速率高达885V/μs,达到0.1%的稳定精度的建立时间只需4 ns,共模抑制比153 dB。

%A fully differential opamp used in a high speed ADC was designed.The main amplifier is a folded cascode amplifier with SC CMFB.The opamp can be used in a 12 bit、100MS/s high speed Pipelined ADC with gain boosting and the triple-branch current reference technique.The operational amplifier is implemented in a standard 0.25 μm CMOS process,simulated with Spectre under Cadence.With 2.5 V power supply and 2 pF load capacitance has a DC gain of 124 dB,a unity gain bandwidth of 720MHz,Slew Rate of 885 V/μs,4 ns settling time and 153dB CMRR.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)010【总页数】4页(P1-4)【关键词】运算放大器;折叠式共源共栅;高速度;增益提高;三支路电流基准【作者】宋奇伟;陆安江;张正平【作者单位】贵州大学贵州省微纳电子与软件技术重点实验室,贵州贵阳550025;贵州大学贵州省微纳电子与软件技术重点实验室,贵州贵阳550025;贵州大学贵州省微纳电子与软件技术重点实验室,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TN722.7随着当今集成电路技术遵从摩尔定律的快速发展，在深亚微米级甚至纳米级工艺下电源电压及MOS管特征尺寸不断降低，器件的诸多性能已达到瓶颈。

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设计全差分运算放大器是一种特殊的运算放大器，它采用了差模输入和差模输出的电路结构，能够获得更高的共模抑制比和更好的抗干扰能力。

在本文中，我们将详细介绍全差分运算放大器的设计步骤和关键考虑因素。

首先，我们需要确定设计的目标和规格。

这包括放大器的增益、带宽、输入和输出阻抗等参数。

在设计全差分运算放大器时，通常需要考虑放大器的直流特性和交流特性。

接下来，我们将详细介绍全差分运算放大器的设计步骤。

1.选择工作点：为了实现差模输入和差模输出，我们需要选择适当的工作点。

一个常用的方法是将输入差模信号的平均值调整到放大器的线性工作区域，这可以通过调整偏置电流源和电阻来实现。

2.设计输入级：输入级通常采用差模对称结构，包括差模差分放大电路和公模放大电路。

在设计差模差分放大电路时，需要选择合适的晶体管，并确定电流增益。

公模放大电路的设计要考虑与差模放大电路的匹配。

3.设计输出级：输出级通常采用差模共源结构。

在设计输出级时，需要确定合适的负载电阻和电流源，并考虑稳定性和功率消耗等因素。

4.频率补偿：全差分运算放大器的频率响应通常需要进行补偿。

一种常用的方法是使用频率补偿电容和电阻，以提高放大器的带宽和稳定性。

5.抑制共模信号：全差分运算放大器的一个重要特性是能够抑制共模信号。

为了实现更好的共模抑制比，我们可以采用一些技术，如共模反馈、差模共源结构等。

在设计全差分运算放大器时，需要考虑一些关键因素。

首先是热噪声和干扰的抑制。

由于全差分运算放大器的输入端采用了差模输入，它能够抑制共模干扰和热噪声。

其次是功耗的控制，尽量减小功耗，提高能效。

还要注意防止震荡和保证放大器的稳定性。

综上所述，全差分运算放大器设计需要考虑许多因素，包括放大器的增益、带宽、输入和输出阻抗等参数。

在设计过程中，需要选择合适的工作点、设计合适的输入级和输出级、实施频率补偿，并考虑共模抑制和稳定性等因素。

通过合理的设计和优化，我们可以获得一个高性能的全差分运算放大器。

CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计方案(运放的理论性文章)

CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计摘要运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用，如A/D与D/A转换器、有源滤波器、自动增益控制器等，针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。

本文详细介绍了一种可以用在微弱信号测量系统和高保真要求的音频系统中的全差分结构低噪声运放，使用0.18微M的CMOS工艺实现，供电电压是1.8V，根据低噪声的要求选择了合适的结构，在第一级采用PMOS作为输入端的套筒式共源共栅放大电路，第二级使用共源电路，在减少运放内部器件产生的噪声同时，考虑了减少外界的电源串扰噪声影响，完成了主电路的设计，另外为了使差分电路的输出直流电压偏置在理想位置，分析并设计了基于负反馈原理的共模反馈电路。

文章的最后对电路的重要参数如直流增益、相位裕度及输入参考噪声做了比较详细的分析与推导，并在SUN工作站上使用Cadence的模拟设计工具IC5033对电路进行了全面的仿真，仿真的结果显示在1 KHz处的输入参考噪声可以达到6nV币弧左右，这是一个相当好的结果。

关键词：运放低噪声全差分CMOS工艺目录摘要1目录1前言2第一章运算放大器的原理与应用31.1运算放大器的原理31.1.1理想运放31.1.2实际运放51.2全差分运放61.3运放的基本应用71.4低噪声运放的应用8第二章MOS器件工作原理102. 1 MOS器件基础102. 2 MOSFET的闭值电压112. 3 MOSFET的工作区域112. 3. 1线性区112. 3. 2饱和区132. 4二级效应152. 4. 1体效应152. 4. 2沟道长度调制效应162. 4. 3亚阈值效应172. 5 MOS管的小信号模型17第三章CMOS单级放大器193.1反相器193.1.1有源负载反相器193. 1. 2电流源负载反相器203. 2差分放大器203. 2. 1共模输入范围213. 2. 2差分放大器的增益213. 3共源共栅放大器22第四章电路噪声234. 1噪声幅值分布234. 2系统对噪声的影响244. 3器件噪声254. 3. 1电阻的热噪声254. 3. 2 MOS管的沟道热噪声254. 3. 3 MOS管闪烁噪声25第五章全差分低噪声运算放大器的设计255. 1低噪声运算放大器的结构设计255.1.1低噪声运算放大器的整体结构255.1.2主电路的设计265. 1. 3共模反馈电路的设计275. 2运放主要参数的仿真分析285. 2. 1运放的开环增益的仿真与分析285. 2. 2运放频率补偿的仿真与分析295.2.3运放电源纹波抑制比的仿真与分析325.2.4运放噪声的仿真与分析325.2.5运放线性度的仿真与分析335. 2. 6运放速度的仿真与分析345.2.7运放的温度特性35结束语36参考文献36前言运算放大器的本质是一个高增益的放大器，它可能是现代模拟电路中最通用和重要的单元，其地位可以相当于数字电路中的“门”电路，在外部反馈网络的配合下，它的输出与输入电压(或电流)不需要依赖开环关系，而是可以灵活地实现各种特定的函数关系，因此可以对不同的信号进行组合、处理。

全差分放大器设计

对于全差分放大器，一般可以得到更大的swing (由于差分信号)，同时可以实现对共模干扰、噪声以及偶数阶的非线性的抑制；但其需要有两个匹配的反馈网络，以及共模反馈电路顺便提一下，对于全差分的折叠共源共栅（folded cascode）放大器，需要注意转换速率（正向与负向）对输入对差分对的尾电流源和cascode电流源的考虑非主极点的位置–输入对管的drain节点（注意全差分没有镜像极点的问题..），如果考虑PMOS输入的结构，将会折叠到n管的cascode，从而减小此节点阻抗，提高此非主极点的频率；但是P输入结构亦有其问题，如直流增益和cmfb电路的速度（考虑cmfb控制的为cascode的pmos电流源）关于共模反馈CMFB从反馈环路来看，共模的稳定问题来源于闭环的共模增益：由于输入差分对的尾电流源的local-feedback，通常共模增益较小，导致运放无法控制其输出共模点；通过CMFB共模反馈电路，可以提高共模反馈环路的增益，以稳定共模信号。

设计CMFB需考虑补偿以减小环路的稳定时间（settling time）和提高稳定性。

从性能上，我们希望共模反馈的单位增益带宽足够大，但由于cmfb的环路相较于差模通路可能有更多高频极点，故此在一定的功耗要求下其UGB一般比较难做的高，有书中提到可以将其设计为差模UGB 的1/3一般共模反馈的方法是控制放大器的电流源，这里如果是folded-cascode的结构，可以考虑用cmfb控制cascode的电流源而不是输入差分对的电流源—-因其在共模环路中有较少的节点–>更容易补偿等..（另一种考虑是控制尾电流源可能导致共模增益的问题)另外，对于cmfb控制的尾电流源，常见将尾电流源分为两半，其中之一由cmfb控制，另一半接恒定偏置电流；这种结构的具体分析可见Gray书12.4.2节的内容，简单来说，single-stage的opamp中控制尾电流源的cmfb结构，其UGB主要为gmt/CL, 其中gmt为尾电流源的跨导，这里拆分尾电流源来减半cmc共模控制的部分，这样UGB减小，即缩减带宽来提升共模反馈环路的相位裕度，当然cmfb的增益相应也减小了；另外恒定偏置部分也可帮助共模电压的初始建立，减小cmfb大的扰动。

高增益CMOS全差分运放的研究和设计

国内的工作相对而言要少一些，主要有复旦大学朱臻等人在２００１年的复旦大学学报上发表《一种用于高速ＡＩＤ转换器的全差分ＣＭＯＳ运算放大器（ＯＴＡ）》一文中，设计了一个带宽为５９０ＭＨｚ，开环增益为９０ｄＢ，功耗为１５ｍＷ，能够满足高速ＡＩＤ转换器所有性能指标的ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ运放。以及西安大学黄立中等人发表的文章
ｐｏｓｓｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｒｋｅｔａｎｄｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅｉｎｈｉｇｈｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｅｈａｄｔｏｔａｋｅｃａｒｅｉｎｓｕｃｈａｓｐｅｃｔａｓｃｉｒｃｕｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｍａｔｅｒｉａｌ、ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ．
ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｌｌｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｎｏｗ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ
ｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｏｗｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈａｒｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｄｏｍａｉｎｓｗｅｃａｎｍａｋｅｂｒｅａｋｏｕｔ．
１．３本文的工作以及文章组织
本文就是对工作在３Ｖ的运放放大电路进行研究，并分析各类运放的性能指标。按照所提出的性能指标选择电路结构，这里我们采用的是运算放大电路中的套筒式（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ）结构。通过对其性能的分析，并进行器件参数上的优化，设计出一个增益在７８ｄＢ，功耗只有ｌ５ｒｏＷ的运算放大器单元，基本能够满足了设计的要求，最后在ＣＡＤＥＮＣＥ上画出版图。
这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。在后面的设计中，我们将进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处理办法。

全差分运算放大器结构框图解析常见的全差分运算放大器电路分析

全差分运算放大器结构框图解析常见的全差分运算放大器电路分析全差分（运算放大器）就是一种具有差分输入，差分输出结构的运算（放大器）。

（差分放大器）相对于单端输出的放大器具有如下一些优势。

首先，由于随着CMOS 工艺尺寸不断缩小，从0.5μm 减小至0.35μm，0.18μm，90nm，（芯片）的（供电）电压也不断减小从5V降到3.5V，1.8V，1.2V甚至更低。

在如此低的供电电压的情况下，单端输出的运算放大器很难能理想地工作，为了保证电路能够得到足够大的（信号）摆幅，我们需要采用全差分的运算放大器结构。

其次，全差分运算放大器能够有效抑制电路的共模信号，并且能够减小电路的偶次谐波失真。

但是为了得到这些性能，全差分运算放大器需要一个共模反馈环路来控制输出的共模电平。

理想情况下，这个共模反馈控制环路会使得输出的共模电平稳定在VDD/2。

所以，一个全差分放大器通常由主放大器和共模反馈环路两部分组成，它在现代的（电路设计）中应用非常广泛。

1.全差分运算放大器结构框图共模反馈的基本思想就是由一个共模采样电路取得电路的输出共模信号，然后把共模信号与一个参考信号相比较，将比较后的误差信号放大后再输入主放大器以调节输出共模电压。

对于输入的差分信号来说，共模反馈环路不会对交流信号产生影响，相当于说共模环路对于交流是开路的。

所以，电路的差分增益和相位就由主放大器决定。

但是，对于输入的共模信号，共模反馈环路决定了输出的共模电平，这时，共模环路的增益和相位就会对电路的输出共模电平的精度和稳定性产生影响。

全差分放大器在应用中的一种电路形式，差分输出的信号摆幅vO1-vO2 为单端信号vO1(vO2)摆幅的两倍，所以在输出端可以有较大的输出动态范围，相对于单端输出提高了处理信号的幅度能力。

2. 常见的全差分运算放大器电路(a)是普通的全差分放大器电路，通常作为一个放大器的输入级部分。

图7-3(b)是折叠式全差分运算放大器电路，它的增益会比较大，可以达到60~70dB，但同时会消耗比较大的功耗，因为它有四条支路需要（电流）。

一种具有高增益和超带宽的全差分跨导运算放大器

0中国集成电路设计♦China lntegrated Circult一种具有高增益和超带宽的全差分跨导运算放大器罗杨贵1,曾以成1,邓欢2,唐金波21.湘潭大学物理与光电工程学院；2.湖南毂梁微电子有限公司摘要：基于GSMC0.18um CM OS工艺，设计了一种应用于12位ADC的全差分运算放大器。

为了提高增益,在套筒式共源共栅结构上运用了增益提高技术。

为了提高输入跨导，采用隔离效果更好的深N阱CMOS作为输入端，从而提升增益带宽。

为了降低功耗，利用单端放大器作为辅助运放。

整体电路结构简单优化。

仿真结果表明，运算放大器直流开环增益大于100dB，单位增益带宽大于800M H z,相位裕度大于70毅,完全满足目标ADC的性能要求，是一种新型且质量较高的运放，也可应用于其它场合。

关键词：增益提高；套筒式共源共栅；高增益带宽;深N阱中图分类号:TN432文献标识码:AA Fully Differential Transconductance Operational Amplifierwith high Gain and ultra GBWLUO Yang-gui,ZENG YirCheng1,DENG Huan2,TANG Jn-bo21.SchoolofPhysicsand Opibe]ectronics,X iangtan University;2.H unan Greai-Leo M icroe]ectronicsCO.LTDAbstract:Based on theGM SC0.18um CM OS process,a fuUy differentialoperationalam plifierlbr12-bitADC is designed.In orderto increase the gain,a gain-enhancing technique is used on the te]escopic cascode structure.In order to increase input transconductance,the deep N-W elltansistorwith better isolation function was used as the input,thereby to enhance the gain bandwidth.In order to reduce power consumption,a single-ended amplifier is used as an auxiliary operational amplifier.The overall circuit structure is simple and optimized.The simulation results show that the operational amplifier DC open-loop gain is greater than100dB,the unity gain bandwidth is greater than800MHz, and the phase margin is greater than70毅,which fully meets the performance requirements of ADC.It is a new and high-quality operational amplifier that can also be applied to other applications.Keywords:Gain enhancement;Telescopic cascode;High gain bandwidth;Deep N_well0引言模数转换器作为连接模拟信号与数字信号的桥梁，越来越显示出其重要性。

CMOS全差分跨导运算放大器的建模与设计

CMOS全差分跨导运算放大器的建模与设计傅文渊;凌朝东【摘要】Research of high-speed and high-gain transconductance amplifier with the structure of gain-boost, the mathematical modeling and Matlab simulation is presented for gain-boost operational amplifier. Designed operational amplifier is used in 12 bit 100 M SPSADC, and the optimal design on the auxiliary amplifier bandwidth can be obtained. Simulation results show that gain is 106 dB which increses of 55 dB if an auxiliary operational amplifier is added. Besides, if we the auxiliary operational, dominant pole is greatly reduced and non-dominant pole slightly decreases, but the addition of auxiliary amplifier does not affect the speed of the operational amplifier.%研究带增益自举结构的高速、高增益跨导运算放大器,并对增益自举运放建立数学模型和进行Matlab仿真验证.将设计的运算放大器应用于12 bit 100 M SPS模数转换器(ADC)中,可得到辅助运放的带宽的最佳设计.仿真结果表明:添加辅助运放后,可以达到106 dB的增益,增加了55 dB；添加辅助运放后的主极点较之前大大减小,次主极点略有减小,但辅助运放的添加并不会影响运放使用时的速度.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】4页(P23-26)【关键词】运算放大器;全差分跨导;增益自举;模数转换器;互补金属氧化物半导体【作者】傅文渊;凌朝东【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;厦门市专用集成电路系统重点实验室,福建厦门361008;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;厦门市专用集成电路系统重点实验室,福建厦门361008【正文语种】中文【中图分类】TP722.770.2在高速、高精度流水线型模数转换器中，模拟信号经采样保持后得到的信号将经过多级流水线级进行处理.每个流水线级的输入信号经过Flash模数转换器（ADC）得到对应的数字码，而其中无法被分辨的残余信号被本级放大后再输出到下一级进行处理［1］，得到残差信号并将其放大的电路即为残差放大器（MDAC）.残差放大器是以运放为基础搭建的开关电容放大器，其精度和速度直接影响到整个流水线ADC的速度和精度.为满足高精度，要求运算放大器必须具有非常高的开环增益，倾向于选择多级结构和长沟道器件［2］；为了实现高速，要求运算放大器具有大的单位增益带宽，而单级运放结构和短沟道器件是能够满足的［3］.然而，两者不可避免会产生冲突，解决问题的关键是寻找一种满足要求的折衷结构.增益自举技术大大增加了输出阻抗以提高运放增益［4］，但并不增加额外的共源共栅器件，不会影响主运放的输出摆幅、单位增益带宽.基于增益自举结构的运算放大器［5］利用辅助运放来提高增益，且不会影响运放的输出共模范围和速度，适用于高速、高精度模数转换器.本文基于12bit 100MSPS模数转换器，设计全差分跨导运算放大器，并对增益自举运放建立数学模型和Matlab仿真验证.采用增益自举运算放大器结构，其频率响应特性近似为单极点系统，并能实现高增益、大带宽和快速建立时间，如图1所示.该运算放大器由一个套筒式共栅共源主运放和两个辅助运放构成.M1的工作像一个反馈电阻，检测输出电流并把电流转换为电压；然后，将电压经辅助放大器A1通过M2的栅端反馈到输出电流上，以此减小M2漏极电压的变化对Vx的影响，从而使输出电流更加稳定，得到更高的输出阻抗.设辅助运放直流增益为Aadd，根据电流－电压反馈原理，电路的输出阻抗增大了Aadd倍.因此，主运放的套筒式共栅共源结构加上辅助运放后，其运放的直流增益增大为在增益自举技术中，辅助运放A1的添加会影响主运放的性能，因此需要分析两者的关系，使整体运放达到最好的指标.考虑整体运放的开环特性，为简单计，设辅助运放为单极点系统，其传输函数为此时，增益自举运放的增益可以表示为式（3）中：gm1为输入管 M1 管跨导；CL 为负载电容；Rout（s）是频率的函数.Rout（s）的表示式为式（4）中：gm2为 M2 管跨导；rds1与rds2分别为 M1 与 M2 管的输出阻抗.将式（4）代入式（3），可得到把式（2）代入式（5）并化简，可得到总的开环增益为从式（6）可以看到，增益自举运放存在一个左半平面零点，其值等于辅助运放的单位增益带宽（WGB），即ωZ＝Aaddω1＝WGBadd.由式（6）可以推导出其主极点和次主极点分别为式（8）中：第1项为辅助运放的单位增益带宽；第2项为没有添加增益自举技术时主运放的主极点.当次主极点的第1项远大于第2项时，第2个极点p1≈Aaddω1≈ωZ.由此可以看出，辅助运放对整体运放产生了位置很相近的一个零极点对.进一步考虑其闭环特性.在首级残差放大器中，运算放大器处于反馈系数为β的闭环结构中.此时，闭环传输函数可表示为从式（10）中可以看出，零极点对的存在给运放的建立特性带来了影响.为了尽量减小其影响，必须使τ1＞τ2，则要求β·WGBmain＜WGBadd，同时确保Vout 数值有效，则有.由此可得当满足上述要求时，辅助运放的频率特性对整个放大器的频率特性没有太大的影响.增益自举的单位增益带宽主要由主运放的单位增益带宽决定，可表示为针对辅助运算放大器的主极点，编写Matlab程序，得出辅助运放的主极点和整体运放的建立时间、峰值电压和峰值时间的关系图，如图2所示.由图2可知，当辅助运放的主极点增大时，运放的峰值时间将减少，且减少趋势逐步降低；在300～750MHz时，峰值时间变化最小.同时，运放的峰值电压随着辅助运放主极点增大而增加.在320～890MHz之间，运放的建立时间随着辅助运放主极点的增加而减少，但变化幅度较少（低于0.003 7%）.因此，可以得出辅助运放的主极点在320～890MHz之间变化时，对增益自举运算放大器的建立时间影响不大，而在220～230MHz之间，运放建立时间减少1ns，变化幅度较为剧烈（10%）.此时，辅助运放的主极点将对整体运放产生迟滞作用，增大整体运放的建立时间.由此得到设计时在满足式（13）条件的基础上，辅助运算放大器的单位增益带宽不需太大，可以得到功耗和速度的优化.除了考虑辅助运放的频域、时域特性外，还必须考虑到其对整体运放共模输入范围和输出摆幅的影响［6-7］.辅助运算放大器采用折叠型共栅共源运放结构，不会影响整体运放的输出摆幅.由于两个辅助输入共模电平的不同，其输入管分别为PMOS管和NMOS管.图3是输入对管为NMOS管的辅助运放A1.图3中，A2也同为折叠式共栅共源运放，只是输入对管类型不同.运放仿真性能指标：开环增益为102dB；单位增益带宽为1.95GHz；相位裕度为62°；建立时间为4.8ns；负载电容为3.5pF；供电电源为3.3V.在有、无增益自举结构情况下，套筒运放在添加增益自举结构前后的幅频特性和相频特性，如图4所示.图4中：A为振幅增益；φ为相位裕度；f为频率.从图4中可知，仿真结果和理论研究基本相符.在未加增益自举结构时，运放仅能达到51dB的增益；添加辅助运放后，可以达到106dB的增益，满足首级MDAC 对运放增益的要求.在图4中还可以看到，添加辅助运放后的主极点较之前大大减小，次主极点略有减小.这是由于辅助运放的添加增大了该点的寄生电容.但是，由于增益的提高，运放的单位增益带宽及相位裕度在两种情况下基本不变，证明辅助运放的添加并不会影响运放使用时的速度.系统分析了在Pipeline ADC设计中增益自举结构的跨导运算放大器特性，揭示了辅助运算放大器对整体运算放大器带宽影响的数学机理，对模数混合信号电路设计者有较大的参考价值.【相关文献】［1］GALTON S E.A digitally enhanced 1.8－V 15－bit 40－MSample／s CMOS Pipelined ADC［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，2004，39（12）：2126－2138.［2］QUINN P J，VAN ROERMUND A H M.Design and optimization of multi－bit front－end stage and scaled back－end stages of pipelined ADCs［J］.IEEE ISCAS，2005，40（3）：1964－1967.［3］BULT K，GEELEN G J G M.A fast－settling CMOS op amp for SC circuits with 90－dB DC gain［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，1990，25（6）：1379－1384.［4］LOTFI R，TAHERZADEH－SANI M，AZIZI M Y，et al.Systematic design for power minimization of pipelined analog－to－digital converters［C］∥International Conference on Computer Aided Design.San Jose：［s.n.］，2003：371－374.［5］CHOKSI O，CARLEY R L.Analysis of switched－capacitor common－mode feedback circuit［J］.IEEE Transactions on Circuit and Systems（Ⅱ）：Analog and Digital Signal Processing，2003，50（12）：：906－917.［6］GRAY P R.Analysis and design of analog integrated circuits［M］.New York：Wiley，2000.［7］凌朝东，黄群峰，张艳红，等.脑电信号提取专用电极芯片的设计［J］.华侨大学学报：自然科学版，2007，28（3）：260－263.。

全差分运算放大器电路

全差分运算放大器电路
全差分运算放大器（Fully Differential Operational Amplifier）是一种电路，通常用于测量差分信号，即两个信号之间的差异。

它可以将两个输入信号相减，输出其差分信号，并具有高共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio，CMRR）的特性，这使得它对于共模信号的抑制能力非常强。

全差分运算放大器的主要特点包括：
1.差分输入：它接受两个不同的输入信号，可以测量它们之间的
差异。

2.共模抑制比（CMRR）：这种放大器设计旨在最大程度地抑制共
模信号，即同时出现在两个输入上的信号，以便更好地提取差分信号。

3.高增益：通常，全差分运算放大器具有较高的开环增益，以确
保小差分信号的放大。

4.常用于差分测量：它通常用于需要测量差分信号的应用，如传
感器接口、音频处理和高速通信系统等。

需要注意的是，实际的全差分运算放大器电路可能更加复杂，具有额外的电路元件和性能特性，以满足特定应用的要求。

在设计和应用中，应根据实际需求来选择适当的操作放大器和电阻值。