折叠式共源共栅运算放大器设计说明

折叠式共源共栅运算放大器

目录

一．摘要 (2)

二．电路设计指标 (3)

三．电路结构 (3)

四．手工计算 (7)

五．仿真验证 (10)

六．结论 (12)

七．收获与感悟 (12)

八．参考文献 (13)

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，针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。本文完成了一个由pmos作输入的放大器。vdd为3.3v，负载电容为1pf，增益Av大于80dB，带宽GBM大于100MHz的放大器。输出级采用共源级结构以提高输出摆幅及驱动能力，为达到较宽的带宽，本文详细分析推导了电路所存在的极零点，共源共栅镜像电流源产生Ibias。选择P沟道晶体管的宽度和长度，使得它们的m g 和ds r 与N沟道晶体管的情况相匹配。

关键字：运算放大器、共源共栅级、极点

Abstract

Operation amplifiers are widely used in many field s nowadays。All kinds of differential operation amplifiers appear f6r special application．One basic cell of which is fully differential operation amplifiers is designed in the thesis．Power Supply 3.3v，load capacitor 1pf，Gain＞80dB，GBM＞100MHz。The output stage is common source amplifier for getting proper DC operation point，for the purpose of wider bandwidth，we carefully analysis the pole and zero in the circuit ，use common source common gate as current Ibias。Choose pmos w/l to make their mg and dsr which can match with nmos。

Kay words：Operation amplifiers、common source common gate、pole

二、电路设计指标

“理想’’运放具有以下的特性：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换速率和开环增益；无噪声、失调、功耗浪费和信号失真；无负载、频率和电源电压的限制川。

事实上，没有运放能达到以上所有的特性。在实际的设计中，运放参数中的大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。

Design an operation amplifier, with PMOS input

Power Supply: VDD = 3.3V

Load Capacitor: COUT = 1pF

Requirements:

Gain: AV > 10000 (80dB)

Gain Bandwidth: GBW > 100MHz

Phase Margin: PM 60

Slew rate: SR> 10V/us

Settling time: <1us

三．电路结构

原理图绘制如图1，两级运放主体结构可以看成两个单级放大器，折叠共源共栅差分输入级和共源增益输出级, 辅助电路为偏置电路和频率补偿电路. 差分输入级采用折叠共源共栅结构输入对管,PMOS 高摆幅电流镜负载; 共源级采用NMOS 放大管, PMOS 管作有源负载; 输出级驱动电容负载CL;一个电容Cc 构成频率补偿电路.该运放的工作原理: 信号由折叠共源共栅差分对管两端输入, 差模电压被转化为差模电流, 差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压, 信号电压被第一次放大后由共源共栅结构被转化为单端输出,

随即进入共源级再一次被放大后从漏端输出驱动电容负载.

1.电路结构

折叠式共源共栅放大器电路图

密勒补偿技术在共源共栅运放结构中可以有的两种具体实现形式: 一种形式是将补偿电容Cc 连接在运放输出节点X 与运放第一级输出节点Y 之间,这也是传统的密勒补偿电容的一般的连接方法; 另一种形式是将补偿电容Cc 置于输出节点X 与折叠共源共栅连接形式的第一级中的共源共栅器件的源极节点Z 之间, 前后两种连接方式分别称为直接密勒补偿

电路和共源共栅密勒补偿电路.

图2

2.极点分析

忽略沟道长度调制效应和体效应以及除密勒电容和负载电容之外的电路寄生电容对电路进行初步分析,可以得到共源共栅密勒补偿的两级运放电路小信号等效电路如图：

图3 共源共栅密勒补偿的两级运放电路小信号等效电路可以得到直接密勒补偿电路的传递函数

假定其主极点和第一次极点满足这样的关系:

, 即主极点远小于第一次极点, 那么主极点为: 从而,

第一次极点为; 由上面的传递函数, 还可以得到运放系统的零点为:

同理可得, 共源共栅密勒补偿电路( 补偿电容连接在输出节点X 与共源共栅器件MN3 源极节点Y之间) 的传递函熟

.

第一次极点为，

零点为W’z=一般情况下，

这是比wz大得多的数值. 主极点不变, 次极点变大的结果是, 系统幅频特性曲线直到次极点处都不变, 相频特性十倍主极点频率之后的部分向高频方向平移. 文中的共源共栅密勒补偿电路将系统RHP 零点相对于直接密勒补偿电路移动到了频率更高的地方, 极大地增加了相位域度, 大大降低了密勒补偿电容形成的前馈通路对系统的不良影响.

3.增益分析

该运算放大器存在两级：(1)Cascode级增大直流增益(2)共源级放大器增益。