全差分两级放大电路

综合课程设计研究报告
课题名称：全差分两级运放
研究人员：
指导教师：王向展宁宁
201 年1月1日
微电子与固体电子学院
目录
一、绪论 (1)
（一）研究工作的背景与意义 (1)
（二）国内外现状分析 (1)
二、研究目标、研究内容与技术指标 (1)
（一）研究目标 (2)
（二）研究内容 (2)
（三）关键技术 (2)
（四）技术指标 (3)
三、电路工作原理 (3)
（一）电路结构理论 (4)
（二）关键电路模块 (4)
（三）非理想效应 (5)
四、电路设计与仿真 (6)
（一）电路设计方案 (6)
（二）电路设计结构 (9)
（三）电路仿真及结果 (10)
五、全文总结与展望 (12)
参考文献 (13)
一、绪论
（一）研究工作的背景与意义
随着模拟集成电路技术的发展，高速、高精度运算放大器得到广泛应用。

全差分运算放大器在输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等方面，较单端输出运放有很大优势，成为应用很广的电路单元。

另外，全差分输出时的输出电压信号幅度比单端输出时增大一倍，这对低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为这可以扩大输出信号的动态范围。

因此，本文讨论并设计了满足一定要求的全差分运算放大器。

（二）国内外现状分析
从第一颗运算放大器IC问世到现在，运算放大器技术已经在半导体制造工艺和电路设计两方面取得了巨大进展。

在大约40年的发展过程中，IC制造商们利用上述先进技术设计出了近乎“完美”的放大器。

虽然什么是理想放大器很难有一个精确定义，但它却为模拟设计工程师提供了一个目标。

理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压，它还应该不受封装尺寸限制，不占用空间。

上述这些，都是许多教科书为了得到简单的传递函数而做出的种种假设。

未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一,便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长;其二,高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器;其三,由于性能和价格压力持续上扬,因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。

测试和测量、通信、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力;DSL和消费类视频应用是最大的市场,而且未来将继续此趋势。

其中,DSL运放的增长点主要在于线路驱动器。

而整合了滤波、多路技术以及DC恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。

从应用的角度讲,不同的系统对运放有不同要求,选择合适的运放对于系统设计至关重要。

对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用,交流特性极为重要。

但对于低速的高精度系统,直流方面的特性则通常更为重要。

衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等;而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。

二、研究目标、研究内容与技术指标
（一）研究目标
1.两级全差分放大电路
输入、输出均为差分信号。

比起单端输出的运放，全差分运放能提供更大的输出电压摆幅，并能更好地抑制共模噪声的干扰。

（二）研究内容
论文首先对典型的两级全差分运算放大器进行分析，通常运算放大器由差分输入级、高增益放大级、相位补偿电路、偏置电路等各个部分组成。

这些部分在电路工作
的时候都起到了不同的功能。

后文将会介绍全差分运算放大器各功能模块的作用。

1.与单端输出相比FD运放的问题
全差分运放需要共模反馈电路（CMFB）来稳定输出共模电压。

2.FD运放组成
FD运放一般由差分输入级、放大级和CMFB组成。

（三）关键技术
1.CMFB共模反馈电路
V DD
为了稳定输出共模电压，应加入共模负反馈电路。

在设计输出平衡的全差分运算放大器的时候，必须考虑到以下几点：
（1）共模负反馈的开环直流增益要求足够大，最好能够于差分开环直流增益相当；
（2）共模负反馈的单位增益带宽也要求足够大，最好接近差分单位增益带宽；
（3）为了确保共模负反馈的稳定，一般情况下要求进行共模回路补偿；
（4）共模信号监测器要求具有很好的线性特性；
（5）共模负反馈与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的。

（四）技术指标
VDD=3.3V±10%，CL=3.0pF
增益Gain≥70dB
带宽GBW ≥230MHz
相位裕度PM ≥45°
差分输出摆幅≥±2.2V
压摆率> 200V/μs
三、电路工作原理
输入级采用差动放大器，可以提高运放的共模抑制比，从而改善运放的抗噪声能力和失调性能。

高增益放大级要求提供足够高的电压增益和大的输出电压摆幅。

差动输出具有更好的抑制共模信号和噪声的能力，同时使输出电压信号幅度增加了一倍。

偏置电路给各级放大器提供合适的偏置电压或偏置电流，要求这些偏置电压或偏置电流尽可能不随电源电压、工艺参数和温度而变化。

为了保证运放在负反馈状态下能够稳定工作，需要加入相位补偿电路（通常加在高增益放大级）。

但在实际运放的结构划分可能并没有那么明确。

因此，我们最终还是要的运放的整体性能。

（一）电路结构理论
典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：
图1.典型全差分运放电路结构图
（二）关键电路模块
1.套筒式两级全差分运放结构
图
2
I SS
V B2
M1
M2
M5
M6
V B4
V B4
M9
M11
M10
M12
Vout1
Vout2
Vin1
Vin2
V B3M7M8V B1
M3
M4CL CL Cc
Cc Rz Rz
2.偏置电路
图3
（三）非理想效应
1. 静态功耗
运算放大器的静态功耗为I
=。

其中I为静态电流。

如果静态功耗确定下
P V dd⨯
来了，那么就可以确定整个电路的工作电流。

因为设计要求要使静态功耗尽可能地小，V dd8.1=已经确定。

因此，要使静态功耗尽可能地小，可以采取源极反偏法、又因为V
双阈值法、多阈值法或变阈值法。

2. 等效输入参考噪声
我们知道每一个MOS管都有一个可以等效到栅端的输入参考噪声，如图所示。

图2.MOS管的噪声来源和等效输入参考噪声
有由于沟道电阻产生的热噪声在输入端的表现，以及MOS管的闪烁噪声。

即
由于第二级的噪声要除以第一级的增益才反映到输入端，因此会比较小，所以可以忽略不计。

因此，整个电路的输入端噪声主要来自于第一级。

四、电路设计与仿真
（一）电路设计方案
图3.两级全差分运放电路设计图
表1 元件参数
（二）电路设计结构1. 幅频相频测试电路
2. 转换速率SR测试电路
3.输出摆幅测试电路
（三）电路仿真及结果1. 幅频相频测试结果
由仿真结果可以看出，增益有103dB，单位增益带宽有244MHz，相位裕度46°。

均达到设计指标。

2. 转换速率SR测试结果
可以得出，SR=275V/us。

3.输出摆幅测试结果
从仿真结果看，输出范围在0.36V到2.99V是线性范围，所以输出摆幅为2.63V。

差分输出摆幅为±2.63V。

最后总的实际电路结构仿真结果指标如表2所示。

表2
五、全文总结与展望
1.可以看出来两级全差动运算放大器比普通的两级运算放大器的电压增益高许多，这也是使用较为广泛的原因之一。

2.降低静态功耗上还是出现了一些问题可以再做优化,输出级参数设置还可以再优化。

3.我们认为，放大器当今最需要做到的就是改进生产工艺以降低它的噪声与功耗，提高集成度，减小体积，减少成本，满足现在的电子产品对高速、高精度、低功耗、量产化的要求。

4.分工：
参考文献
[1] 谭博学,苗汇静《集成电路原理及应用》，电子工业出版，2008-1,44-95
[2] 葛康康,高速运算放大器的设计《浙江大学》,2008-4
[3]刘志惠,徐晋,杨谟华,李竞春,《一种全差分高速运算放大器的设计》,四川省电子学
会半导体与集成技术专委会学术年会 , 2008-2
[4] 甘学温、赵宝瑛，《集成电路原理与设计》，北京大学出版，2006-2
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4.图、表编号形成为：二级标题-序号，如图3-3、表2-2等。

图题位置在图的下方，宋体五号字；表头位置在表格上方，宋体五号字。

图中、表中字号为五号或小五。

5.表格：外框宽度为1 1/2磅；表内文字单倍行距。

6.公式：长、复杂公式用MathType输入，单独一行，编号右对齐，编号形成为：二级标题-序号，如(3-3)；简单公式用正文字体表示，如V gs = 3V。

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参考文献单独成页。

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错误示例:
错误示例一：
A．图8黑色背景不符合文印规范，应至少反色处理。

此外，图中电路结构、文字信息应让读者能够看清。

B. 图8仅有编号无图题（即名称）
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D．图8、图9均未有正文的引用、说明以及详细分析、解释。

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如可结合
图形进行更形象地描述。

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如
复杂的电路结构的分析，难懂的一些指标定义、推导，影响电路性能的具体分析等。

错误示例三：
A．版面不美观，特别是排版混乱，格式混乱。

B．排版与格式参考要求格式，电路图大小适中且居中设置；公式格式上下对应一致。