全差分运算放大器设计
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全差分运算放大器设计
岳生生(200403020126)
一、设计指标
以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器,设计指标如下:
✧直流增益:>80dB
✧单位增益带宽:>50MHz
✧负载电容:=5pF
✧相位裕量:>60度
✧增益裕量:>12dB
✧差分压摆率:>200V/us
✧共模电压:2.5V (VDD=5V)
✧差分输入摆幅:>±4V
二、运放结构选择
运算放大器的结构重要有三种:(a )简单两级运放,two-stage 。如图2所示;(b )折叠共源共栅,folded-cascode 。如图3所示;(c )共源共栅,telescopic 。如图1的前级所示。本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ,即输出端的所有NMOS 管的,DSAT N
V
之和小于0.5V ,输出端的所有PMOS
管的
,DSAT P
V
之和也必须小于0.5V 。对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构,都比较难达到该
要求,因此我们采用两级运算放大器结构。另外,简单的两级运放的直流增益比较小,因此我们采用共源共栅的输入级结构。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大,故我们选择直接共源共栅的输入级,最后选择如图1所示的运放结构。两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性,我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。
三、性能指标分析
1、 差分直流增益 (Adm>80db)
该运算放大器存在两级:(1)、Cascode 级增大直流增益(M1-M8);(2)、共源放大器(M9-M12) 第一级增益
1
3
5
1113
5711
3
5
1
3
5
7
5
3
()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g g
g g
g G A R r r
r r g g r r r r
=-=-=-
+
第二级增益
9
2
29
11
29
9
11
()m o o o m m o o g
g G A
R r r
g
g
=-=-=-
+
整个运算放大器的增益:
4
1
3
5
9
1
2
1
3
5
7
5
3
9
11
(80)10m m m m overall
o o o o m m o o dB g g g g
A
A A g g g g
r r r r ==
≥++
2、 差分压摆率 (>200V/us )
转换速率(slew rate )是大信号输入时,电流输出的最大驱动能力。 定义转换速率SR :
1)、输入级: max
1max
|
2|
Cc out DS C
C
d SR dt
I v I C
C
=
=
=
单位增益带宽1m u
C
g C ω=,可以得到1m C
u
g
C ω
=
所以 11111
1
1
2222DS DS DS u u
eff u
DS C
m eff SR I I I
V g I C
V
ωωω====
其中
1
eff GS th V
V V =-=
因此提高两级运算放大器转换速率的可以尽可能增大管子M1的有效电压
1
eff V
。
2)、输出级:max
9max
|2|Cc out DS C
C
L
d SR dt
I
v I C
C C
=
=
=
+
该运算放大器的转换速率139min ,2DS DS C C L SR I I C C C ⎧⎫⎪⎪
=⎨⎬+⎪⎪⎩⎭
3、 静态功耗:该运放没有功耗指标,这里我们以15mW 为例简单分析。
运放的静态功耗
()()91013static
DS DS DS dd ss V V P
I I I =-++
静态功耗确定了整个电路的静态电流最大值:
15350static
DC dd
ss
mw
mA V V
P
I V
V =
=
≈--
我们将该电流分配到电路的不同地方。例如,100ua 给偏置电路,2900ua 归两级放大电路。 4、 相位裕度 >60度,单位增益带宽>40MHz
假设运放只有两个极点P1、P2。(实际上,会有更多的极点,同时还会在右半平面或者左半平面的零点)。
由于密勒补偿电容Cc 的存在, P1和P2将会分开很远。假设1
2
p p ω
ω
,这样在单位增益带
宽频率
u
ω
处第一极点引入-90度相移,整个相位裕度是60度。所以第二极点在单位增益带宽频率处的
相移为-30度。
222
1
2
1
60,90,
18030tan 300.577 1.73,2
p p u p u
u
PM PM ϕϕϕωω
ωωω
ω
≥≈=--≤≤=⇒≥取
=