全差分运算放大器设计

全差分运算放大器设计

岳生生（0126）

一、设计指标

以上华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：(VDD=5V)

差分输入摆幅：>±4V

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，输出端的所有PMOS 管的

,DSAT P

V

之和也必须小于。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。

性能指标分析

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

1

1

1

3

5

7

1

1

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

=-=-=-

+P

第二级增益9

2

2

9

11

2

9

9

11

()m o o o m m o o g g G A R r r g g

=-=-=-+P 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 ==

≥++

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 11

11

11

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 ⎧⎫⎪⎪

=⎨⎬+⎪⎪⎩⎭

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。 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,

18030

tan 300.577 1.73,2p p u

p u

u

PM PM ϕϕϕωωωωωω

≥≈=--≤≤=⇒≥o o o

o

o

取＝ 另外，主极点2

357

13

57

355

3

9

011

9539

9011

()()

(1)o o o o o o o m m m m o p C

m m m m C

o g g g g

g g g g g g

r r r r g g g g C C g g ω++≅

≅++o1＋，

开环增益1359

13

57

5

3

911

m m m m o

o o o o m m o o g g g g A g g g g

r r r r =++ 1

10

m u

p C

g

A C

ωω==