低电压_高速_高稳定性集成运算放大器芯片设计

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芯片关键电路设计
系统芯片核心电路图如图 1 所示。电路可以分
图 2 两级放大小信号弥勒等效模型 Fig 2 M iller equivalent model of t he tw o st age amplif ied small signal
为高速集成运算放大器、电流基准源、缓冲输出电 路三部分。
将该两级运放第一 ( 二 ) 级电路等效为受控电 流源 g m uin 和 g m uI , C I ( C ! ) 和 R I ( R ! ) 分别 是从第一 ( 二 ) 级输出端的对地的等 效电容和电 阻 , C f 为弥勒补偿电容 , R f 为调零电阻。 其系统函数由式 ( 4) 表达 H (S)=
Abstract: Based on a 0 18 m CM OS st andar d process, a hig h speed, w ideband and high st abili t y integr at ed op amp chip w it h 1 8 V vo ltag e and 910 M H z bandw idth w as designed. T he const i t ut io n pr inciple of t he op amp, t he applicat io n met hods o f M iller compensat ion capacito r and ze roing r esist or compensat ion t echnique, and the design m et hods o f int eg rat ed t ri branch cur rent ref erence and t he low v olt ag e fo ld cascode bias cur rent dist ribut io n circuit w ere described. T he post sim ulat ion verif icat io n test of t he chip layout by Cadence Spect re emulato r indicat es t hat the design can eff ect iv ely impr ove t he st abilit y and speed o f t he system, w hich has ex cellent pow er supply reject ion rat io as w ell as larg er out put sw ing. F inally , t he desig n r esult s of t he chip w ere given. T he sim ulat ion and t est result s show t hat t he chip can be applied t o t he elect ronic sys t ems, including amplif icat ion of the w eak sig nal at middle f requency, analog calculat ion, act ive filt er and A GC, et c. Key words: high st abilit y; M iller compensat ion; zero ing resist or; t ri branch current reference; CM OS DOI: 10. 3969/ j. issn. 1671 - 4776. 2010. 07. 011 EEACC: 2570 D
r f
若使电路的零点值等于电路的第一个非主极点 值 , 便可实现零极点对消, 实现相位补偿 , 提高电 路稳定性。根据式 ( 4 ) 可以求出该电路的零点与 第一非主极点为
J uly 2010
452 M icr onanoelectronic T echno logy V o l. 47 N o. 7
[8]
, 即
uout ( S) = uin ( S) ( 4)
图1 Fig 1
芯片核心电路图
g mI g m II R I R ! { 1- S [ ( C f / g m II ) - R f C f ] } 2 3 1+ bS + cS + d S 式中: S 为拉普拉斯域变量; b = ( C II + C f ) R II + ( C I + C f ) R I + g m II R I R II C f + R f Cf c= [ R I R II ( C I C II + C f CI + C f C II ) + R f C f ( R I C I + R I I C II ) ] d = R I R II R f C I C II C f
根据电路摆率指标要求 , 由式 ( 3) 可以确定 弥勒补偿电容 Cf 的容值 , 再通过设计调零电阻的 R f 阻值 , 使电路的 零点值 与第一 次极点 值相等 , 电路实现相位补偿, 相位裕度得到提高。 根据式 ( 1 ) 稳定的 I 1 和 I 2 可以保证 该放大 器增益的稳定性 , 为此该放大电路的电流分配单元 均采用低 压共 源共 栅结 构, 如 晶体 管 M 7 ~ M 9 , M 14 和 M 15 所构成的电路 ( 见图 1 ) 。此电流分配单 元, 具有很高的输出阻抗 , 可表达为 r out = r ds14 + r ds 15 + g m 14 r ds14 r ds15 ( 1+
微电子器件与技术 M icroelect ronic Device & T echnolo gy
低电压、高速、高稳定性集成运算放大器芯片设计
赵秋明, 赵明剑, 王卫东
( 桂林电子科技大学 信息与通信学院, 广西 桂林 541004) 摘要: 基于 0 18 m CM OS 标准工艺, 设计了一种工作电压为 1 8 V 、 带宽达到 910 MH z 的高 速、 宽带、 高稳定性的集成运算放大器芯片 。阐述了该放大器电路构成原理、 弥勒补偿电容和调 零电阻补偿的应用方法、 集成三支路基准电流源与低压共源共栅偏置电流分配电路的设计方法。 利用 Cadence Spectr e 仿真器对芯片版图进行了后端仿真验证测试。 通过对测试结果的分析, 表 明了本设计能够有效提高系统的稳定性和速度, 并具有优良电源抑制比和较大的输出摆幅。 最后 给出了芯片设计达到的结果。 仿真测试结果表明 , 本设计芯片可应用于中频段需要对微弱信号处 理的放大、 模拟运算 、有源滤波、 AGC 等电子系统。 关键词: 高稳定性; 弥勒补偿; 调零电阻; 三支路基准电流源 ; CMOS 中图分类号 : T N 432 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 4776 ( 2010) 07 -0451 - 05
Core circuit of t he proposed chip
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两级集成运算放大器电路 两级集成运算放大电路如图 1 中晶体管 M 10 ~
( 5) ( 6) ( 7)
M 18 、电阻 R r 、电容 C r 构成。 M 10 ~ M 15 构成该运 放的差动输入级电路 , 信号由 M 12 和 M 13 的栅极差 分输入; M 10 和 M 11 为电流镜负载; M 14 和 M 15 构成 高输入阻抗的尾 电流源。 M 16 ~ M 18 构成的 电流源 负载反相放大器作为运放的输出级。该电路通过引 入弥勒补偿电容 C 和调零电阻 R 串联网络达到了
0
引 言
模拟集成运算放大器是集成电路的主要类型之
提高 电路的相位 余度及摆 率等性能 指标的目 的
[ 3 , 8, 12]
。
设计关键晶体管 M 10 ~ M 13 和 M 16 的宽长比以 及弥勒补偿电容值与尾电流源的输出偏 置电流 I 1 和 I 2 , 利用式 ( 1) [ 8] , ( 2) 和 ( 3 ) 可以分别设计 出放大器的 增益 ( A ) 、单位增益带宽 ( GB ) 、输 出摆率 ( SR ) , 即 A= - 2 g m12 I 1 ( 13 + 11 ) GB = SR = I 2( g m12 Cf I1 Cf - g m 16 16 + I2 ) ( 1) ( 2) ( 3)
Design of a Low Voltage, High Speed and High Stability Integrated OP AMP Chip
Zhao Qium ing, Zhao M ing jian, Wang Weidong
( I nf ormation & Communication College, Guilin Univer sity of Electronic Technology , Guilin 541004, China)
[ 5- 11]
式中: g m12 和 gm16 为晶体管 M 12 和 M 16 的跨导参数;
13
,
11 I
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和
16
是晶体管 M 13 , M 11 和 M 16 的沟道调制系
数;
是串联晶体管 M 17 和 M18 的等效沟道调制系数。
该两级运算放大器电路的小信号弥勒等效模型 如图 2 所示。
,
更适合应用于低电压、高速、高稳定度系统。芯片 版图基于 0 18 m, 1 8 V COMS 工艺进行设计。
收稿日期 : 2010 - 01 - 28 基金项目 : 广西科学研究与技术开发计划资助项目 ( 桂科基 0731021) E mail: mj china 1224@ 163. com
2010年 7 月
微纳电子技术第47卷第7期
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赵秋明等 : 低电压 、 高速 、 高稳定性集成运算放大器芯片设计
一, 广泛应用于各类电子产品中。在通信和多媒体产 品中, 宽带、高速、高稳定性是模拟集成运放研究发 展的重要方向, 采用低工作电压也是当前集成运放的 一个普遍趋势之一。需要关注的问题是较低的工作电 压虽然有利于降低功耗
[ 1- 4]
, 但是又给集成运放的速
度、相位裕度、摆幅等重要性能指标带来了影响。 本设计在电路技术方面采用两级运算放大器的 电路结构 , 融合了弥勒补偿电容结合调零电阻补偿 技术 , 设计了集成三支路基准电流源结合低压共源 共栅偏置电流分配电路, 有效提高了系统的稳定性 与速度, 使系统 在具有优良电 源抑制比、满 足带 宽、速度、稳定性等指标要求下, 还具有较大的输 出摆幅, 能更好地适应在低电源电压条件下工作 , 相比于经典的套筒式与折叠式共源共栅结构
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)
( 10)
相对于普通电流分配单元 ( r out = r ds ) [ 8] , 本电 路的输出阻抗为两个晶体管导通阻抗值之和再加上 g m14 r ds14 r ds15 ( 1+ 的电流源。 当电路中所有晶体管都处于饱和区, 且 UGS14 = UGS8 , U DS15 = UDS9 , 调节 U b 可使下式成立, 即 Ub = UGS8 + ( U GS9 - U T H 9 ) = UGS14 + ( U GS15 UT H 15 ) ( 11)
赵秋明等 : 低电压 、 高速 、 高稳定性集成运算放大 器芯片设计
z1 ∀
1 C f ( 1/ g mII - R f ) p2 ∀ g mII CI I
( 8) ( 9)
I out =
2 n C ox ( W 4 / L 4 )
1 1- 1 2 RS K
2
( 12)
由式 ( 12) 可以看出 , 该电路的 温度特性 与电阻 R S 和晶体管的工作情况有关。该基准电流源的输 出电流只与调节电阻 R S 取值有关, 与电源电压无 关。通过设计电阻 R S 的阻值, 电路可以按要求输 出精确稳定的基准电流用于偏置系统。 1 3 缓冲输出电路 为使系统芯片具有小负载驱动能力, 在系统芯 片的输出端设计了一个缓冲输出电路, 由图 1 中晶 体管 M 19 ~ M 21 构成。为了使该电路具有良好的输入 输出线性性能, 晶体管 M 19 的源级连接到一个高输 出阻抗的电流源。该电路的小信号等效模型如图 3。