一种高增益CMOS全差分运算放大器的设计

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一种高增益CMOS 全差分运算放大器的设计
Design of a High-gain CMOS Fully Differential Operational Amplifier
(江南大学)
李杨先顾晓峰浦寿杰
LI Yang-xian GU Xiao-feng PU Shou-jie
摘要:设计了一种用在高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中的高增益CMOS 全差分运算放大器。

该运算放大器采用了套筒式共源共栅结构和开关电容共模反馈电路。

通过分析和优化电路性能参数,实现了高增益和低功耗。

采用SMIC 0.35μm CMOS 工艺,经Spectre 仿真验证,电路在3.3V 电源电压和2.6pF 负载电容条件下,单位增益带宽为110MHz,开环直流电压增益达76dB,功耗为1.4mW 。

关键词:运算放大器;套筒式共源共栅;高增益;A/D 转换器中图分类号:TN402文献标识码:A
Abstract:A high -gain CMOS fully differential operational amplifier has been designed for the application to high -resolution audio Σ-ΔA/D converters.The telescopic cascade structure and the switched capacitor common -mode feedback circuit were adopted in this operational amplifier.High gain and low power dissipation were achieved by analyzing and optimizing the circuit parameters.The Spectre simulation using SMIC 0.35μm CMOS process shows that,with 3.3V power voltage and 2.6pF capacitor load,the circuit has a unity-gain bandwidth of 110MHz,an open-loop gain of 76dB and a power dissipation of 1.4mW.Key words:Operational amplifier;Telescopic cascade;High-gain;A/D converter
文章编号:1008-0570(2009)10-2-0207-03
1引言
运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元,广泛应用于数/模与模/数转换器、有源滤波器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。

伴随着每一代CMOS 工艺的发展,电源电压和晶体管沟道长度的持续减小,不断为运算放大器的设计提出了复杂的课题。

在A/D 转换器中,运算放大器是最关键的部件。

比如,有限增益、带宽和有限压摆率等运算放大器的非理想特性都会造成积分器中的电荷转移不完全,从而引起A/D 转换器的非线性。

与单端输出的运算放大器相比,全差分运算放大器能提供更大的输出电压摆幅,并具有不易受共模噪声影响、更高的线性度、减少偶次谐波干扰以及偏置电路更简单等优点。

本文从分析和优化运算放大器的参数出发,实现了一款高性能CMOS 全差分运算放大器的设计,其主要性能指标要求为:开环增益大于70dB,单位增益带宽大于80MHz,转换速率大于160V/μs 。

2高增益CMOS 全差分运算放大器
设计
2.1结构选择与分析
常见的全差分运算放大器的结构有套筒式共源共栅、折叠
式共源共栅和两级运放等。

在两级运放结构中,次极点频率由负载电容C L 决定,使速度受到限制,带宽较小,且功耗较大,电源抑制比和共模抑制比也较差。

与套筒式结构相比,折叠式共源共栅运放的输出电压摆幅要大一些,但这是以较大的功耗和噪声、较低的电压增益和极点频率为代价得到的。

套筒式共源共栅是各种不同运放结构中功耗最低的一种,其增益也较高,可和普通的
两级运放相比。

从本设计的应用出发,决定采用套筒式共源共栅结构来设计全差分运算放大器。

2.2套筒式共源共栅运算放大器
采用的套筒式共源共栅运算放大器主体结构如图1所示。

其中,M1、M2、M3和M4组成有源负载,其阻值很大,可提高运算放大器的增益。

M7和M8是NMOS 差分输入对,用于把输入电压变为电流;M7、M8和M5、M6一起组成差分式共源共栅结构。

M9用来产生尾电流以抑制输入共模电平的变化对M7和M8的工作及输出电平的影响。

V b1、V b2和V b3为三个偏置电压,V CMFB 为共模反馈电路产生的控制电压。

图1套筒式共源共栅运算放大器
Fig.1Telescopic cascade op-amp
2.3共模反馈电路
全差分运算放大器中通常需要一个共模反馈电路(CMFB),使受控的共模输出电压值接近于某个特定值(通常约为电源电压的一半)。

CMFB 分连续时间和开关电容两种。

由于本文设计的运放用在全差分开关电容电路中,加之连续时间CMFB 具有限制差模输出信号幅度、增加差模负载和增加静态功耗等缺点,因此采用开关电容CMFB,其实际结构如图2所示。

李杨先:硕士研究生
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技术创新
《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第10-2期
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图2开关电容共模反馈电路
Fig.2Switched-capacitor common-mode feedback circuit 图2中的C1=C2,C3=C4,clk1和clk2为两相不交叠时钟信号,Vo-和Vo+接运放输出电压,V CMFB 为该CMFB 产生的调节电压,V cmref 代表期望的输出共模电压,V bias 是使运放输出共模电压刚好等于期望值时的电流源栅极偏压。

当clk2为高电平时,C3和C4预充电到V cmref -V bias 。

当clk1为高电平时,C1和C3并联,C2和C4并联,存储在C3和C4上的电荷将发生转移,最终在C1与C2之间产生一个DC 补偿电压,叠加到运放的输出共模电压上,从而保证运算放大器实际输出共模电压保持在预期值附近。

3电路参数分析
在图1所示的电路中,由于两条支路对称,所以当输入差模交流信号时,M9的漏极电位保持恒定,于是可认为M9的漏极交流接地,由此得到图1的单边交流信号等效电路,如图3所示。

图3图1的单边交流信号等效电路
Fig.3AC signal equivalent circuit of Fig.13.1开环直流增益
如图3所示,单边增益等于输入管的跨导乘以输出电阻。

输出电阻等于从输出节点看进去的两个共源共栅结构输出电阻的并联,因此有
(1)
其中,g m 为输入管的跨导,Ro1和Ro2分别为
(2)
其中,g mb 为体效应等效跨导,r o 为MOS 管输出电阻,也即表示沟道长度调制效应的等效电阻。

在饱和区,,
且。

由此可得
(3)
上式指出了具体某个晶体管对电路直流增益的贡献,因此是晶体管参数调整的总体指导依据。

此外,从图1可以看到,M5、M6、M7和M8处在信号通路上,故要保证其电容值最小,因此在改变参数以增大直流增益的过程中,尽量保持最小尺寸不变而进行宽长比的整体变化。

而PMOS 管M1、M2、M3和M4对信号的影响小得多,增大其尺寸可非常有效地改变直流增益。

3.2单位增益带宽
套筒式共源共栅运算放大器的小信号传递函数可写为
(4)
其中g ml 是输入差动对中晶体管的跨导,Z L (s)是输出节点对地的总阻抗。

这个总阻抗由输出负载电容、电路中添加的任何附加网络的阻抗和运算放大器的输出阻抗的并联组成。

因此当只有输出电容形成补偿时可得
(5)
于是得到运算放大器的单位增益频率为
(6)
由(3)式和(10)式可知,增加输入差分管的W/L 、减小负载电容是提高单位增益带宽的有效方法。

3.3转换速率和建立时间
运算放大器在额定负载及输入阶跃大信号时,输出电压上升段(或下降段)线性部分的斜率称为转换速率,也叫压摆率。

图1所示运放V out1-V out2的压摆率SR=I D9/C L 。

本设计中负载电容C L 为2.6pF,转换速率要求大于160V/μs,因此I D9至少为0.42mA 。

建立时间指当运算放大器构成闭环负反馈时,在限定输出负载并输入阶跃信号的条件下,输出电压从阶跃信号输入时起至输出电压上升到稳定值的误差容限内所需的时间。

它分为线性建立和非线性建立两个不同的阶段。

线性建立阶段指输入差分小信号时,运算放大器的输出由闭环作用控制的阶段。

单位增益带宽越大,线性建立时间越短。

非线性建立阶段是指当输入差分大信号时,运算放大器的输出波形由转换速率决定的阶段,因此可通过适当增加尾电流来缩短这段时间。

3.4共模输入范围
输入共模电压范围定义为当差动信号为零时,能维持电路工作在饱和区的共模电平范围。

对于理想差分运算放大器,输入
共模电压时输出应为零。

而实际的差分运算放大器,电路既不可能完全对称,尾电流源的输出阻抗也不可能为无穷大。

因而,当输入共模电压时输出不为零;甚至当输入共模电压超出某一范
围时,运算放大器就不能再对差模信号进行正常放大。

从图1可以看到,输入共模电压V IC 有:
(7)(8)4仿真结果
基于SMIC 0.35μm CMOS 工艺,在Cadence Spectre 模拟器上对该CMOS 运算放大器进行仿真。

结果如表1所示。

图4给出了运算放大器的频率响应特性曲线。

表1运算放大器的仿真结果
Table 1Simulation results of op-amp
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图4运算放大器的频率特性
Fig.4Frequency characteristic of the op-amp
5结论
采用简单的套筒式共源共栅结构,通过分析决定开环直流增益、单位增益带宽、转换速率和建立时间等主要性能参数的各种因素,实现了一款性能优良的全差分运算放大器。

Spectre 仿真表明,运算放大器的各项性能指标均达到设计要求,可应用于高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中。

本文作者创新点:采用结构简单的套筒式共源共栅运算放大器,通过深入分析和优化电路性能参数,结合Spectre 仿真,从而在保证其它性能的同时,运算放大器获得了高增益、高单位增益带宽和低功耗。

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作者简介:李杨先(1979-),男(汉族),陕西汉中人,硕士研究生,研究方向为集成电路设计;顾晓峰(1971-),男(汉族),江苏无锡人,教授、博士生导师,约翰-霍普金斯大学博士,研究方向为半导体器件物理、集成电路设计。

Biography:LI Yang -xian (1979-),Male (Han),Hanzhong City,Shaanxi Province,Master,Research direction on IC design.
(214122无锡江南大学信息工程学院)李杨先顾晓峰浦寿杰(School of Information Technology,Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu 214122,P.R .China)LI Yang -xian GU Xiao -feng PU Shou-jie
通讯地址:(214122江苏无锡蠡湖大道1800号江南大学桔园32号楼401室)李杨先
(收稿日期:2008.11.17)(修稿日期:2009.02.17)
(上接第150页)
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作者简介:许昀(1984-),男,湖北武汉人,上海交通大学微电子学院硕士研究生,主要研究方向为人脸检测与嵌入式系统应用;赵峰(1976-),男,山东济南人,讲师,上海交通大学微电子学院,主要研究方向为人脸检测与识别;微处理器系统设计;弱目标检测与跟踪。

Biography:XU Yun,born in 1984,male.Graduate student.School of Micro-Electronics,Shanghai Jiao Tong University.Re -search areas focus on face detection and embedded system.(200240上海上海交通大学微电子学院)许昀赵峰
(School of Micro-Electronics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240,China)XU Yun ZHAO Feng
通讯地址:(200240上海交通大学闵行校区B0621091信箱)许昀
(收稿日期:2008.11.17)(修稿日期:2009.02.17)
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作者简介:贾艳梅(1982-),女(汉族),山西人在读硕士生研究方向是CCSDS 在空间高速数据处理中的应用;张东伟(1980-),男(汉族),浙江人,工程师,研究方向为计算机应用技术;吕从民(1972-),男(汉族),河北人,研究员,主要从事空间飞行器设计及计算机应用技术方面研究;张善从(1976-),男(汉族),福建人,研究员,主要从事空间探测技术的研究。

Biography :JIA Yan -mei (1982-),female (Han),From Shanxi province,Master candidate,Major in the Application of CCSDS in high speed data handling.
(100049北京中国科学院研究生院)贾艳梅
(100080北京中国科学院光电研究院)贾艳梅张东伟吕从民
张善从
(100190北京北京国科环宇空间技术有限公司)贾艳梅张东伟
张善从
(Chinese Academy of sciences,100049,China)JIA Yan-mei (Academy of Opto-Electronics,CAS,100080,China )JIA Yan-mei ZHANG Dong-wei LU Cong-min ZHANG Shan-cong
(Beijing Transuniverse Space Technology Co.,Ltd.Beijing 100190,China )JIA Yan-mei ZHANG Dong -wei ZHANG Shan -cong 通讯地址:(100049北京中国科学院研究生院)贾艳梅
(收稿日期:2008.11.17)(修稿日期:2009.02.17)
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