全差分运算放大器设计概要
全差分运算放大器设计概要
全差分运算放大器设计概要全差分运算放大器是一种常见的电子电路，它可以将输入信号的差分放大，并在输出端提供差分信号。
全差分运算放大器广泛应用于模拟与数字信号处理中，如低噪声放大器、滤波器和交叉耦合放大器等领域。
本文将介绍全差分运算放大器的设计概要，包括电路结构、设计要点和性能指标等。
[图片]该电路由两个共模反馈放大器组成，其中一个作为正放大器，另一个作为负放大器。
输入信号通过差分输入端口加到两个反馈放大器上，经过放大后，在输出端口提供差分信号。
为了保证优良的性能，必须对电路的参数进行适当的设计和调整。
首先，需要确定全差分运算放大器的增益要求。
增益是指输出信号与输入信号之间的比例关系。
在不同的应用中，增益要求可能不同。
根据增益要求，可以选择合适的放大器型号和电路拓扑结构。
其次，需要选择适当的放大器元件。
放大器元件包括晶体管、电阻、电容等。
选择合适的元件是设计成功的关键。
晶体管的选择要考虑其增益、噪声系数、带宽等指标。
电阻和电容的选择要考虑其阻值、容值、精度等因素。
然后，需要确定电路的偏置方案。
全差分运算放大器需要提供适当的偏置电压，以确保电路能够正常工作。
偏置电压的选择要考虑元件的工作状态和参数的稳定性。
常见的偏置方案包括电流镜偏置、电流源偏置等。
设计完成后，需要对电路进行性能测试和优化。
性能测试包括增益、带宽、噪声系数、非线性失真等指标的测试。
根据测试结果，可以进行相应的电路优化，以满足设计要求。
最后，需要对电路进行可靠性分析。
可靠性分析是为了确保电路在长时间工作过程中不会出现故障。
可靠性分析包括温度分析、电路重要参数的敏感度分析等。
全差分运算放大器设计的关键在于电路的结构和元件的选择。
合理的电路结构和适当的元件选择可以使电路具有较高的增益、宽带和低噪声等性能。
此外，还需要注意电路的偏置方案和可靠性分析，以确保电路的正常工作和长时间可靠性。
总之，全差分运算放大器是一种重要的电子电路，具有广泛的应用前景。
一种高增益CMOS全差分运算放大器的设计
邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注一种高增益CMOS 全差分运算放大器的设计Design of a High-gain CMOS Fully Differential Operational Amplifier(江南大学)李杨先顾晓峰浦寿杰LI Yang-xian GU Xiao-feng PU Shou-jie摘要:设计了一种用在高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中的高增益CMOS 全差分运算放大器。
该运算放大器采用了套筒式共源共栅结构和开关电容共模反馈电路。
通过分析和优化电路性能参数,实现了高增益和低功耗。
采用SMIC 0.35μm CMOS 工艺,经Spectre 仿真验证,电路在3.3V 电源电压和2.6pF 负载电容条件下,单位增益带宽为110MHz,开环直流电压增益达76dB,功耗为1.4mW 。
关键词:运算放大器;套筒式共源共栅;高增益;A/D 转换器中图分类号:TN402文献标识码:AAbstract:A high -gain CMOS fully differential operational amplifier has been designed for the application to high -resolution audio Σ-ΔA/D converters.The telescopic cascade structure and the switched capacitor common -mode feedback circuit were adopted in this operational amplifier.High gain and low power dissipation were achieved by analyzing and optimizing the circuit parameters.The Spectre simulation using SMIC 0.35μm CMOS process shows that,with 3.3V power voltage and 2.6pF capacitor load,the circuit has a unity-gain bandwidth of 110MHz,an open-loop gain of 76dB and a power dissipation of 1.4mW.Key words:Operational amplifier;Telescopic cascade;High-gain;A/D converter文章编号:1008-0570(2009)10-2-0207-031引言运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元,广泛应用于数/模与模/数转换器、有源滤波器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。
2009-06全差分运算放大器_167602514
nd d
fnd=2GBW; PM=63: Butterworth fnd=3GBW; PM=72: Bessel fnd=4GBW; PM=76: RR
高等模拟集成电路 第二部分
清华大学电子工程系 李国林 李冬梅
2009秋季学期
3
As
A0 s 1 d s s 1 1 nd 1 nd 2
14
越小越好，但又不可能为零，小到什么程度为宜呢？
高等模拟集成电路 第二部分 清华大学电子工程系 李国林 李冬梅 2009秋季学期
kg m1 2GBWCL k g m 2 2GBWCL k
v
in
g m1 ro1
g m2 2f T
v1 C n1
1
fT GBW
功耗由谁决定？
稳定性裕量越大（越大），功耗越大 GBW越大，功耗越大 负载电容越大，功耗越大
GBW受限于工艺（fT）
而不是负载电容
GBW
g m1 2Cc
g m1 2
k
CL
FOM
GBW C L GBW C L 1 1 530 MHzpF mA VGS VTH VGS VTH ID VGS VTH gm 2 2 k 2 2
高等模拟集成电路 第二部分
As
4.1 极点配置方案：双极点运放
A0 s s 1 1 d nd
根据稳定性分析，双极点运放在单位反 馈应用下稳定且能获得优良低通特性的 条件是，第二个极点fnd是增益带宽积 GBW(=A0fd)的倍
采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计
目录1. 设计指标 (1)2. 运算放大器主体结构的选择 (1)3. 共模反馈电路（CMFB）的选择 (1)4. 运算放大器设计策略 (2)5. 手工设计过程 (2)5.1 运算放大器参数的确定 (2)5.1.1 补偿电容Cc和调零电阻的确定 (2)5.1.2 确定输入级尾电流I0的大小和M0的宽长比 (3)5.1.3 确定M1和M2的宽长比 (3)5.1.4确定M5、M6的宽长比 (3)5.1.5 确定M7、M8、M9和M10宽长比 (3)5.1.6 确定M3和M4宽长比 (3)5.1.7 确定M11、M12、M13和M14的宽长比 (4)5.1.8 确定偏置电压 (4)5.2 CMFB参数的确定 (4)6. HSPICE仿真 (5)6.1 直流参数仿真 (5)6.1.1共模输入电压范围（ICMR） (5)6.1.2 输出电压范围测试 (6)6.2 交流参数仿真 (6)6.2.1 开环增益、增益带宽积、相位裕度、增益裕度的仿真 (6)6.2.2 共模抑制比（CMRR）的仿真 (7)6.2.3电源抑制比（PSRR）的仿真 (8)6.2.4输出阻抗仿真 (9)6.3瞬态参数仿真 (10)6.3.1 转换速率（SR） (10)6.3.2 输入正弦信号的仿真 (11)7. 设计总结 (11)附录（整体电路的网表文件） (12)采用折叠式结构的两级全差分运算放大器的设计1. 设计指标5000/ 2.5 2.551010/21~22v DD SS L out dias A V VV V V VGB MHz C pF SR V s V V ICMR V P mWµ>==−==>=±=−≤的范围2. 运算放大器主体结构的选择图1 折叠式共源共栅两级运算放大器运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。
从电路结构来看, 有套筒式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。
全差分运算放大器设计说明
全差分运算放大器设计岳生生（6）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 NV之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS管的,DSAT PV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1351113571135135753()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g gg gg G A R r rr r g g r r r r=-=-=-+第二级增益92291129911()m o o o m m o o gg G AR r rgg=-=-=-+整个运算放大器的增益：4135912135753911(80)10m m m m overallo o o o m m o o dB g g g gAA A g g g gr 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。
全差分套筒式运算放大器设计
全差分套筒式运算放大器设计1、设计内容本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜像电流源作为偏置。
为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈及二级放大电路。
本设计所用到的器件均采用SMIC 0.18µm的工艺库。
2、设计要求及工艺参数本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示：3、放大器设计3.1 全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路图1 全差分套筒式放大器拓扑结构图2 最终电路图3.2 设计过程在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完全一样，即两管子所有参数均相同。
Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3 + gmb3）ro2倍。
但同时降低了输出电压摆幅。
为了提高摆幅，控制增益，在套筒式差分放大器输出端增加二级放大。
本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。
设计要求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。
我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。
根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。
I D=12μn C ox WL(V GS−V TH)2(1+λV DS)(1)其中，C ox等于ε/t ox，μn和t ox可以从工艺库中查找。
4、仿真结果经过调试优化之后的仿真结果如以下各图所示：图3 增益及相位裕度从图中可以看出，本设计的低频增益达到了74.25dB，达到了预期要求。
3dB 带宽为35kHz左右，比较小，可见设计还有改进的余地。
当CL为2pF时，相位裕度：PM=180°+∠βH(ω)=180°−125.5°=54.5°电源电压为1.8V时，输出摆幅如下图所示，达到了3V。
全差分运算放大器设计
全差分运算放大器设计全差分运放（Fully-Differential Amplifier，简称FDA）是一种特殊的运放，它具有两个差动输入和两个差动输出。
全差分运放具有许多优点，包括良好的共模抑制和电源抑制比，适用于高精度传感器信号放大、功率放大和模拟信号处理等领域。
在这篇文章中，我将介绍全差分运放的设计原理和步骤。
首先，我们需要确定设计的要求和规范。
这包括增益要求、带宽要求、电源电压和输入输出电阻等参数。
根据这些要求，我们可以选择合适的运放器件和电路拓扑。
全差分运放的常见电路拓扑有两级差分放大器、共射共源放大器和增益交换放大器等。
在这里，我们以两级差分放大器为例进行设计。
第一步是选择运放器件。
我们需要根据设计要求选择适合的运放器件，可以根据其增益带宽积、供电电压范围和失调电流等参数进行选择。
一般来说，我们可以选择低失调电流、高增益带宽积和低电压噪声的器件。
第二步是确定电路拓扑。
在两级差分放大器中，第一级是差分放大器，第二级是共射共源放大器。
差分放大器的作用是提供高输入阻抗和共模抑制比，共射共源放大器的作用是提供电流放大和驱动能力。
由于这两级放大器要分别满足不同的要求，我们可以选择不同的放大倍数和器件参数来优化电路性能。
第三步是确定偏置电路。
偏置电路的作用是提供恒定的工作电流，这可以通过电流源和电阻网络来实现。
偏置电流的选择要根据运放器件的要求和特点，可以使用恒流源或电流反馈等方法来实现。
第四步是确定反馈电路。
反馈电路的作用是控制放大倍数和增益稳定性，可以使用电阻、电容或者电流源等元件来实现。
选择适当的反馈方式可以减小失调电压和非线性，提高性能。
第五步是进行电路仿真和优化。
通过电路仿真，我们可以验证设计的性能和满足要求。
优化可以通过调整电路参数和进行迭代仿真来实现，以达到设计要求。
第六步是进行电路布局和线路板设计。
在设计布局时，要注意分离放大器电路和干扰源，减少电源和信号线的串扰。
线路板设计要保证差分信号走线的对称性和阻抗匹配，以提高传输性能。
全差分增益提高运算放大器的分析与设计
第28卷 第2期2005年6月电 子 器 件Chinese Journal of Elect ron Devices Vol.28 No.2J un.2005Analysis and Design of Fully Differential G ain 2Boosted OpampW A N G J i n 1,Q I U Yu 2li n 1,T I A N Ze21.I nstit ute of Microelect ronic of Chinese A cadem y of S ciences ,Bei j ing 100029,China;2.Depart ment of Elect ronic Science ,N ort hwestern Universit y ,X i ’an 710069,ChinaAbstract :The gain 2boosting technology is presented and analyzed.Wit h gain 2boosting ,a f ully differential gain 2boo sted telescopic cascode opamp is propo saled and designed.The main opamp is a f ully differential telescopic opamp and has a switched capacitor CM FB circuit.The boo sting opamp is a f ully differential fol 2ded cascode opamp and has a co ntinuous time CM FB circuit.The opamp is designed in SM IC 0.35μmixed 2signal CMOS p rocess wit h 3.3V power supply and achieved a dc gain of 129dB wit h a 161M Hz unity gain f requency.K ey w ords :f ully differential ,gain 2boo sted ;opamp EEACC :1220全差分增益提高运算放大器的分析与设计王 晋1,仇玉林1,田 泽21.中国科学院微电子研究所,北京,100029;2.西北大学电子科学系,西安,710069收稿日期:2004212203作者简介:王 晋(19732)男,博士研究生,主要从事模拟集成电路和混合集成电路设计,wangjin0215@ ;仇玉林(19422)男,研究员、博士生导师,wangjin0215@摘 要:通过增益提高技术,一个全差分增益提高套筒式共源共栅运算放大器被提出和设计。
全差分放大电路设计报告
设计报告——全差分放大电路设计姓名：李国锋单位：中科院半导体所1. 设计指标Supply VDD3.3V Dynamic range at output (DR) >=70dB Closed-loop gain2 Feedback capacitance(C F ) 0.5pF Load capacitance(C L ) 3pF Settling accuracy <=0.05% Settling time(ts)<=25ns Differential AC Loop Phase Margin>45。
Differential AC Loop Phase Margin >60。
Power consumption as low as possible technology process CSMC (CMOS 0.18um)2．放大器结构的选择2.1整体闭环电路的拓补结构图12.2半边等效电路图2 电容Cs 的大小可从下式得出：由闭环增益，得2=vf A pF pF C A C f vf s 15.0*2*=== 电容Cp 可以估计为：0.5p C pF =2.3 参数的初步估算2．3．1 开环增益的确定：建立误差由两部分组成：一是增益有限造成的静态误差，二是由于运放工作速度造成的动态误差。
由图2，根据基尔霍夫定律可以建立起以下公式333()*()in s P out F V V C s V C s V V C −−=−s '33**1m oout o LG r V V A V r sC ==+由以上方程可以得到：()*(1out s m oin F m o s F p o L V C G r V C G r C C C r sC =−++++)设静态误差是0.02%2=vf A *99.98%actual =2 *99.98%()()s m o s F m o s F p F s F p C G r C AA C G r C C C C A C C C ==−+++−+++得到A＝199962．3．2增益带宽积GBW 的确定 2．3．2．1 确定主极点p w主极点 可以根据运放工作速度造成的动态误差确定p w 1/1/out ZinP V s w AV s w −=−+到时域变成()11p w t pactual z w u t A e w−⎛⎞⎛⎞=−+⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠当t＝25ns 时，误差小于0.05% 推出320p w M =2．3．2．2 确定GBW/2*p w GBW πβ= 其中14F s F p C C C C β==++需要引起高度注意的是β是1/4,而不是1/2。
(p)一种高性能低功耗两级全差分运算放大器设计
收稿日期:2009202216 作者简介:翁 迪(1983—),男,硕士研究生.通信联系人:叶 凡,男,讲师,E 2mail :fanye @f .文章编号:042727104(2009)0420465205一种高性能低功耗两级全差分运算放大器设计翁 迪,范明俊,叶 凡,任俊彦(复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海201203)摘 要:分析并设计了一种高速、高增益、低功耗的两级全差分运算放大器.该运算放大器用于高速高精度模数转换器中.运算放大器第一级采用增益自举cascode 结构获得较大的直流增益,采用2个新的全差分运算放大器替代传统的4个单端运算放大器作为增益自举结构.该放大器采用SMIC 0.18μm CMOS 工艺设计,电源电压1.8V ,直流增益125dB ,单位增益带宽300M Hz (负载3p F ),功耗6.3mW ,输出摆幅峰峰值达2V.关键词:运算放大器;增益自举;2级;全差分;高增益中图分类号:TN 492 文献标志码:A运算放大器(op amp )作为关键的模拟模块,广泛应用于开关电容滤波器、Σ2Δ调制器以及模数转换器等.在这些电路中,速度和精度两大重要因素都是由运算放大器的各种性能来决定的.例如在精度10bit 速度20M Hz 以上的高速高精度流水线模数转换器设计中,高的直流增益和大的单位增益带宽会降低运算放大器闭环工作时的增益误差和线性建立时间引起的误差,而大的输出摆幅可以有效的提高性噪比,从而可以在较小的电容负载的情况下达到较高的信噪失真比,有效地实现高速高精度和低功耗的目标;流水线模数转换器中功耗主要来自于运算放大器,所以低功耗运算放大器会使整个模数转换器功耗显著降低.一般而言,长沟道、低偏置电流、多级运算放大器可以实现高增益,然而会导致多个极点,难以达到高速大带宽的要求.共源共栅(cascode )结构的运算放大器具备频率特性好、主极点由负载电容决定、功耗最低等优点,但是输出摆幅比较小,特别在低电源电压情况下,这种缺点就更加显得突出.综合考虑,2级运算放大器可以在高增益、大输出摆幅和带宽间达到较好的平衡;高增益可以采用带增益自举的第1级实现,而带宽和速度可以在功耗允许的情况下尽量加大电流来实现.本文提出了带有增益自举结构的两级全差分运算放大器设计方案.由于这种方案目前在国内还属首次采用,所以本文对电路性能作了全面详细的分析.1 运算放大器总体结构和性能分析运算放大器应用于高性能流水线模数转换器时,运算放大器的增益要满足模数转换器中采样保持的增益误差要求和线性度要求,为达到14位精度,要求运算放大器开环直流增益大于100dB [1],而一般的2级运算放大器增益大概在80dB 左右.为了提高增益,本文提出的方案是第1级采用带有小运算放大器OPN 和O PP 增益自举的套筒式共源共栅(telescopic cascode )结构,第2级采用一般的共源放大器,电路结构如图1所示.为了保证运算放大器的稳定性,采用Miller 补偿技术进行零极点补偿,采用开关电容共模反馈以调节稳定工作点.1.1 直流增益分析该运算放大器存在2级:第1级是带增益自举的cascode 级;第2级是共源放大级.第1级增益:A 1=-G mI R OI =-g m1(R O11∥R O12),其中R O11=[1+(1+A n )g m6r o6]r o8,R O12=[1+(1第48卷 第4期2009年8月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Science )Vol.48No.4Aug.2009图1 带有增益自举的2级全差分运算放大器总体结构Fig.1 Overall structure of t he fully differential gain 2boosted two 2stage op amp+A p )g m4r o4]r o2,A n ,A p 是自举运算放大器OPN 、OPP 的直流增益,在A n ≈A p µ1的情况下,A 1≈A n [-G m (g m6r o6r o8∥g m4r o4r o2)]=A n ・A 1′,其中A 1′=-G m (g m6r o6r o8∥g m4r o4r o2)为不带增益自举的第1级的增益.第2级增益:A 2=-G mII R OII =-g m2(R 10∥R 12).总增益:A =A 1・A 2≈A n ・A 1′・A 2.(1)由上述分析可以看出,电路总的直流增益等于主电路cascode 级(m 1～m 8)、主电路输出级(m 9～m 12)和增益自举电路(OPN 或O PP )3者直流增益之积.这样设计时就可以把总增益分配到各级电路中去.每一级只要达到所指定的增益目标,总增益就能满足要求[223].1.2 单位增益带宽该运算放大器结构符合标准两级运算放大器性能分析方法[3],电路中负载电容C L ,补偿电容为C c ,主极点产生于第1级的输出端,其大小等于从m 4和m 6(或m 3,m 5)的漏端看进去的输出电阻和电容乘积的倒数:P 1=1/(R OI R OII G mII C c );次主极点位于第2级的输出端:P 2=G mII /C L ;单位增益带宽:GB m =G mI /C c ;从上面可以看出增益自举电路对整个电路的次主极点和单位增益带宽没有影响,只是会减小主极点频率.采用Miller 电容补偿会在右半平面产生一个零点:Z 0=1/(C c (1/G mII -R Z )),采用调零电阻R Z 控制零点的位置把零点从右半平面移到左半平面的次主极点P 2上,当R Z =(C c +C L )/(G mII C c )时,Z 0=1/(C c (1/G mII -R Z ))=-G mII /C L ,这样输出负载电容引起的极点就去除掉了,当然由于温度,工艺和电压等的变化会导致R Z ,C c 和C L 以及G mII 发生变化,但是在设计中,这些变量都有一定的裕度,在设计中也充分考虑,所以,也就避免了调节后的负零点位于GB W 内的现象.要满足60°相位裕度,则电路的次主极点至少要大于2.2GB m [3].即:G mII /C L >2.2G mI /C c ,若零点G mII /C L =10GB m =10G mI /C ,则C c >2.2C L G mI /G mII =0.22C L .1.3 增益自举电路与主电路的匹配传统的增益自举技术如图2所示需要额外实现4个单输入单输出的运算放大器,这样就增加了线路的复杂性、功耗和面积,同时在利用电流镜进行双端转单端输出的过程中,也消耗了运算放大器的动态幅度,不利于电路的设计和实现.这里采用2个全差分输入输出的运算放大器作为增益自举电路,由于左右两端完全对称的结构,从而可以减小相应的晶体管间由于不匹配所引入的噪声.增益自举电路主要起增加664复旦学报(自然科学版)第48卷cascode 级输出电阻的作用,因此可以将起功耗和面积尽量减小,设计时将其管子的宽长比和电流取为外部主电路的1/3左右比较合宜[2].图2 传统的增益自举技术Fig.2 Traditional gain 2boosted technology自举放大器OPN 、O PP 与主电路M 5、M 6和M 3、M 4形成闭环反馈,可以自动调整,而OPN 和OPP 输入端也有用来控制输入的共模电平.如果OPN 、O PP 速度太快,就会导致运算放大器稳定性方面问题[4].为了系统稳定,O PN 、OPP 单位增益带宽GB sub 必须满足:P 1<GB sub <P 2.(2)同时自举电路的加入有可能在GB sub 的地方产生一个极零点对(pole 2zero ),而极零点对会严重影响运算放大器建立时间,为了防止GB sub 处产生的极零点对对运算放大器闭环工作时的影响,GB sub 还必须满足:βGB <GB sub <P 2,(3)β为运算放大器闭环工作时的反馈因子,在高精度流水线模数转换器中,采样保持器采用电荷重分布形式,反馈因子为1/2,所以只要满足:1/2GB <GB sub <P 2,系统稳定性和建立时间方面要求都可以满足.增益自举小电路所选择的结构是折叠共源共栅结构如图1所示.使用这种结构主要考虑到速度和输入、输出电平的需要[5].输入级中间2个管子是用来稳定输入级尾电流源漏端电压. 偏置电路和共模反馈电路增益自举电路和主电路使用相同的偏置电压,通过折中调节最后整个电路只需要2路偏置电压,选用共[5],增大电流镜输出电阻,使输出电压更稳定并且电路结构简单,如图3所示.全差分运算放大器需要共模反馈电路确定其共模电平.共模反馈的电路多种多样,不过在这里开关电容共模反馈[5]电路相比其他电路来说具有独特的优势.首先它相对于连续时间共模反馈电路具有更高的动态范围,其次,它不会引入附加的极点且其线性度也非常好,另外,运算放大器应用在开关电容电路中无需增加额外的时钟,应用比较方便.为了保证系统能够稳定而又快速地进入工作,在第1、第2级分别采用了共模反馈.2 性能分析表1列出了带有增益自举和不带增益自举结构两级全差分运算放大器以及2个用来增益自举的辅助运算放大器OPN 、OPP 各项性能情况.可以看到,仿真结果与上述推理基本相符.带有增益自举的两级全差分运算放大器直流增益等于辅助运算放大器和没有增益自举的两级全差分运算放大器直流增益之和(都以dB 形式表示).总电路的单位增益带宽基本上与不带增益自举两级全差分运算放大器带宽相等.在辅助运算放大器OPP 、OPN 带宽满足(3)式时运算放大器建立时间20ns ,与不带增益自举时18ns 差不764 第4期翁 迪等:一种高性能低功耗两级全差分运算放大器设计图3 偏置电路和开关电容共模反馈电路Fig.3 Bias and switched 2capacitor CMFB多,当不满足(3)式只满足(2)式时运算放大器建立时间延长到39ns ,如表1中所示.可见OPP 和OPN 的带宽影响整个运算放大器建立时间比较明显.表1 运算放大器及其各子模块电路性能比较Tab.1 Op amp and other sub 2module performanceamplifierG DC /dB f B /M Hz C L /p F t set /ns φ/(°)P /μW OPN 39.5290(>321/2)19.2(<321/2)0.12.0——76.090.6 456OPP 45 251(>321/2)16.5(<321/2)0.12.0——74.389.2 375wit hout gainenhancement104.0321.0 3.01869.05470wit h gainenhancement 141.0320.0 3.0203969.06430 最后,运算放大器通过SM IC 0.18μm CMOS 工艺实现,经过流片测试,在电源电压1.8V 的情况下,增益达到125dB ,单位增益带宽300M Hz.表2详细列举了本运算放大器各项指标性能在仿真和测试后的结果比较,图4给出了用Hspice 仿真的幅频和相频特性;图5则是测试时的大信号阶跃响应.从中可以看出仿真和测试结果的总体性能差异在比较合理的范围内,而差异也主要是由于版图,寄生参数和工艺原因导致的偏差,也就是在于仿真的理想性和电路流片实现之间的差异,证明了这种运算放大器设计方案在现实应用中的可行性.并且,从流片测试结果看,总体设计也基本满足高精度低功耗电路对运算放大器的要求,而且在后期的ADC 的流片测试结果也显示该放大器设计保证了ADC 的性能.表2 运算放大器仿真、测试结果Tab.2 Simulation and testing resultsperformanceA out /V G /dB f B /M Hz t set /ns S R /(V ・μs ∃1)P /mW φ/(°)simulation214132020207 6.3469measured 212529931198 6.30—864复旦学报(自然科学版)第48卷本文提出了一种高性能低功耗的两级全差分运算放大器设计,采用0.18μm CMOS 工艺实现.利用增益自举技术,运算放大器开环增益可达到125dB ,主运算放大器为2级结构,输出摆幅在电源电压1.8V 情况下峰峰值可达到2V ,电压转换率约200V/μs.文中详细阐述了主运算放大器与辅助运算放大器之间匹配问题,在保证运算放大器其他性能不变的情况下,合理缩减辅助运算放大器的功耗,总功耗仅有6.3mW.该运算放大器被应用于低功耗14位32.5M Hz 流水线模数转换器的采样保持电路中.参考文献:[1] Yang W ,Kelly D ,Mehr I ,et al .A 32V 340mW 142b 752Msps CMOS ADC with 852dB SFDR at Nyquistinput [J ].J ournal of S oli d 2S tate Ci rcuits ,2001,36(12):193121936.[2] 柳 逊,闫 娜,吴晓铁,等.一种高性能运算放大器的设计[J ].微电子学与计算机,2005,22(6):28233.[3] Allen P E ,Holberg D R.CMOS Analog Circuit Design [M ].2版.冯 军,李智群,译.北京:电子工业出版社,2000.[4] Bult K ,G eelen G J G M.A fast 2settling CMOS op amp for SC circuits with 902dB DC gain [J ].J ournalof S oli d 2S tate Ci rcuits ,1990,25(6):137921384.[5] Lloyd J ,Lee Hae 2Seung.A CMOS op amp with fully 2differential gain 2enhancement [J ].T ransactions onCi rcuits A nd S ystems ,1994,41(3):2412243.[6] Recoules H ,Bouchakour R ,Loumeau P.A Comparative study of two SC 2CMFB networks used in fullydifferential O TA [C]∥Proceedings of 1998IEEE International Conference on Electronics ,Circuits and Systems.Portugal :IEEE Press ,1998.Design of a High 2Performance and Low 2Pow erTwo 2Stage OP AmpWE NG Di ,FAN Ming 2jun ,YE Fan ,RE N J un 2yan(A S IC &S ystem S tate Key L aboratory ,Fudan Universit y ,S hanghai 201203,China )Abstract :A high 2gain low 2power high 2speed fully differential two 2stage operational amplifier wit h a DC 2gain of 125dB and a gain 2bandwidt h of 300M Hz is analyzed and designed in a 0.18μm SMIC CMOS process.Its output swing reaches 2V and power consumption is only 6.3mW.the high DC 2gain is reached t hrough gain 2enhancement at t he first pared wit h t he traditional gain 2enhancement technology wit h four single 2ended output amplifiers ,two new fully differential amplifiers are utilized here for gain 2enhancement.The DC 2gain ,output swing and power consumption are better than t hat of t he traditional operational amplifier.K eyw ords :operational amplifier ;gain 2enhancement ;two 2stage ;fully 2differential ;high DC 2gain 964 第4期翁 迪等:一种高性能低功耗两级全差分运算放大器设计。
全差分CMOS运算放大器的设计
全差分CMOS运算放大器的设计全差分CMOS运算放大器（Fully Differential CMOS Operational Amplifier）是一种常用于模拟、混合信号和通信电路中的放大器。
全差分运算放大器结合了差分放大器和普通运算放大器的优点，具有更好的共模抑制、抗干扰能力和更高的增益。
1.设计差动放大器：差动放大器是全差分CMOS运算放大器的核心部分，其一般由两个输入差分对和一个负载电阻组成。
在设计差动放大器时，首先需要确定放大器的增益、带宽和功耗等要求。
然后，选择适当的晶体管尺寸和偏置电流来满足这些要求。
2.设计电流镜：电流镜主要用于稳定差动放大器的工作点。
常用的电流镜电路有P型电流镜和N型电流镜。
在设计电流镜时，需要考虑放大器的输入阻抗、输出阻抗和功耗。
3.设计共模反馈电路：共模反馈电路主要用于提高全差分CMOS运算放大器的共模抑制比。
在设计共模反馈电路时，需要确定合适的电压分压比例和电容值，以及选择合适的晶体管尺寸和偏置电流。
4.偏置电流源设计：5.电源设计：6.输入和输出接口设计：7.稳定性分析和优化：在设计全差分CMOS运算放大器时，还需要进行稳定性分析和优化。
常用的稳定性分析技术有迭代法、校正法和频率响应法。
稳定性优化技术有补偿电容法、极点分布法和增益调整法。
8.仿真和验证：最后，设计完成的全差分CMOS运算放大器需要进行仿真和验证。
常用的仿真和验证工具有SPICE软件、电路仿真器和实验测量仪器。
通过仿真和验证，可以评估放大器的性能和电路的可靠性。
最后，需要注意的是，在进行全差分CMOS运算放大器的设计时，应遵循设计规范和标准，如功耗规范、电压规范和噪声规范，以确保设计的可靠性和一致性。
同时，应密切关注工艺制程、温度变化等因素对电路性能的影响，并进行相应的校准和补偿。
最完整的全差分运算放大器设计
最完整的全差分运算放大器设计全差分运算放大器是一种特殊的运算放大器，它采用了差模输入和差模输出的电路结构，能够获得更高的共模抑制比和更好的抗干扰能力。
在本文中，我们将详细介绍全差分运算放大器的设计步骤和关键考虑因素。
首先，我们需要确定设计的目标和规格。
这包括放大器的增益、带宽、输入和输出阻抗等参数。
在设计全差分运算放大器时，通常需要考虑放大器的直流特性和交流特性。
接下来，我们将详细介绍全差分运算放大器的设计步骤。
1.选择工作点：为了实现差模输入和差模输出，我们需要选择适当的工作点。
一个常用的方法是将输入差模信号的平均值调整到放大器的线性工作区域，这可以通过调整偏置电流源和电阻来实现。
2.设计输入级：输入级通常采用差模对称结构，包括差模差分放大电路和公模放大电路。
在设计差模差分放大电路时，需要选择合适的晶体管，并确定电流增益。
公模放大电路的设计要考虑与差模放大电路的匹配。
3.设计输出级：输出级通常采用差模共源结构。
在设计输出级时，需要确定合适的负载电阻和电流源，并考虑稳定性和功率消耗等因素。
4.频率补偿：全差分运算放大器的频率响应通常需要进行补偿。
一种常用的方法是使用频率补偿电容和电阻，以提高放大器的带宽和稳定性。
5.抑制共模信号：全差分运算放大器的一个重要特性是能够抑制共模信号。
为了实现更好的共模抑制比，我们可以采用一些技术，如共模反馈、差模共源结构等。
在设计全差分运算放大器时，需要考虑一些关键因素。
首先是热噪声和干扰的抑制。
由于全差分运算放大器的输入端采用了差模输入，它能够抑制共模干扰和热噪声。
其次是功耗的控制，尽量减小功耗，提高能效。
还要注意防止震荡和保证放大器的稳定性。
综上所述，全差分运算放大器设计需要考虑许多因素，包括放大器的增益、带宽、输入和输出阻抗等参数。
在设计过程中，需要选择合适的工作点、设计合适的输入级和输出级、实施频率补偿，并考虑共模抑制和稳定性等因素。
通过合理的设计和优化，我们可以获得一个高性能的全差分运算放大器。
全差分放大器设计
对于全差分放大器，一般可以得到更大的swing (由于差分信号)，同时可以实现对共模干扰、噪声以及偶数阶的非线性的抑制；但其需要有两个匹配的反馈网络，以及共模反馈电路顺便提一下，对于全差分的折叠共源共栅（folded cascode）放大器，需要注意转换速率（正向与负向）对输入对差分对的尾电流源和cascode电流源的考虑非主极点的位置–输入对管的drain节点（注意全差分没有镜像极点的问题..），如果考虑PMOS输入的结构，将会折叠到n管的cascode，从而减小此节点阻抗，提高此非主极点的频率；但是P输入结构亦有其问题，如直流增益和cmfb电路的速度（考虑cmfb控制的为cascode的pmos电流源）关于共模反馈CMFB从反馈环路来看，共模的稳定问题来源于闭环的共模增益：由于输入差分对的尾电流源的local-feedback，通常共模增益较小，导致运放无法控制其输出共模点；通过CMFB共模反馈电路，可以提高共模反馈环路的增益，以稳定共模信号。
设计CMFB需考虑补偿以减小环路的稳定时间（settling time）和提高稳定性。
从性能上，我们希望共模反馈的单位增益带宽足够大，但由于cmfb的环路相较于差模通路可能有更多高频极点，故此在一定的功耗要求下其UGB一般比较难做的高，有书中提到可以将其设计为差模UGB 的1/3一般共模反馈的方法是控制放大器的电流源，这里如果是folded-cascode的结构，可以考虑用cmfb控制cascode的电流源而不是输入差分对的电流源—-因其在共模环路中有较少的节点–>更容易补偿等..（另一种考虑是控制尾电流源可能导致共模增益的问题)另外，对于cmfb控制的尾电流源，常见将尾电流源分为两半，其中之一由cmfb控制，另一半接恒定偏置电流；这种结构的具体分析可见Gray书12.4.2节的内容，简单来说，single-stage的opamp中控制尾电流源的cmfb结构，其UGB主要为gmt/CL, 其中gmt为尾电流源的跨导，这里拆分尾电流源来减半cmc共模控制的部分，这样UGB减小，即缩减带宽来提升共模反馈环路的相位裕度，当然cmfb的增益相应也减小了；另外恒定偏置部分也可帮助共模电压的初始建立，减小cmfb大的扰动。
低电压高速CMOS全差分运算放大器设计
低电压高速ＣＭＯＳ全差分运算放大器设计作者：阮颖来源：《现代电子技术》2008年第11期摘要：设计了一种低压高速CMOS全差分运算放大器。
该运放采用了折叠式共源共栅放大结构、连续时间共模反馈电路以及低压宽摆幅偏置电路，以实现在高稳定性下的高增益带宽、大输出摆幅。
在Cadence环境下,基于TSMC 0.25 μm CMOS 标准工艺模型,对电路进行了spectre仿真。
在2.5 V电源电压下，驱动1 pF负载时，开环增益71.6 dB，单位增益带宽501 MHz，功耗4.3 mW。
关键词：折叠共源共栅;全差分;共模反馈中图分类号：TN432 文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)11-150-Design of a Low-Voltage and High Speed Fully Differential CMOS Op-Amp(Shanghai University of Electric Power,Shanghai,201300,China)Abstract：A low-voltage and high speed CMOS fully differential operational amplifier is designed.The operational amplifier based on the structure of folded cascade,a continuous time CMFB and a low-voltage and wide output swing bias circuit to obtain a high unity-gain bandwidth,a wide output-voltage swing.The operational amplifier is designed in a standard TSMC 0.25 μm CMOS process and simulated with spectre under Cadence environment.With a single 2.5 V power supply,the amplifier achieves a open-loop gain of 71.6 dB with a 501 MHz unity gain frequency and dissipats 4.3 MW power.Keywords：folded cascade;fully differential;CMFB;CMOS运算放大器（运放）作为数模转换器（ADC）、模数转换器（DAC）、开关电容滤波器、带隙电压基准源等电路系统的关键基本单元得到了广泛应用。
高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器技术研究
高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器技术研究一、本文概述随着现代电子技术的飞速发展，高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器在诸多领域，如通信、医疗、测量和控制系统等，扮演着越来越重要的角色。
这些应用对于运算放大器的性能要求日益提高，不仅需要高精度的放大能力，还要求具备宽带宽的响应特性。
因此，研究CMOS全差分运算放大器的技术，特别是针对高精度、宽带宽的要求，具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在探讨高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的设计技术，分析其关键性能指标，研究其电路结构和工作原理，并探讨其在实际应用中的优化策略。
我们将介绍CMOS全差分运算放大器的基本原理和关键技术指标，如增益、带宽、失真度等。
然后，我们将详细分析高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的电路结构和设计方法，包括差分输入级、增益级、输出级等关键部分的设计考虑。
接着，我们将讨论在实际应用中如何优化这些关键部分，以提高运算放大器的整体性能。
我们将通过实验验证本文提出的设计方法和优化策略的有效性，为高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的实际应用提供参考。
通过本文的研究，我们期望能够为高精度、宽带宽CMOS全差分运算放大器的设计提供理论支持和实践指导，推动其在相关领域的应用和发展。
二、CMOS全差分运算放大器的基本原理CMOS全差分运算放大器（Fully Differential CMOS Operational Amplifier, FDCOA）是集成电路设计中的一个关键组件，其基本原理基于差分信号处理和CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的优势。
这种运算放大器采用差分输入和差分输出，以减小共模噪声和失真，提高信号的信噪比和线性度。
在FDCOA中，两个完全对称的输入级分别接收正、负输入信号，它们的输出通过中间级和输出级进行差分放大。
这种结构能够显著抑制偶次谐波失真和共模噪声，使得电路在宽带宽范围内具有高精度和低失真特性。
全差分运算放大器结构框图解析 常见的全差分运算放大器电路分析
全差分运算放大器结构框图解析常见的全差分运算放大器电路分析全差分（运算放大器）就是一种具有差分输入，差分输出结构的运算（放大器）。
（差分放大器）相对于单端输出的放大器具有如下一些优势。
首先，由于随着CMOS 工艺尺寸不断缩小，从0.5μm 减小至0.35μm，0.18μm，90nm，（芯片）的（供电）电压也不断减小从5V降到3.5V，1.8V，1.2V甚至更低。
在如此低的供电电压的情况下，单端输出的运算放大器很难能理想地工作，为了保证电路能够得到足够大的（信号）摆幅，我们需要采用全差分的运算放大器结构。
其次，全差分运算放大器能够有效抑制电路的共模信号，并且能够减小电路的偶次谐波失真。
但是为了得到这些性能，全差分运算放大器需要一个共模反馈环路来控制输出的共模电平。
理想情况下，这个共模反馈控制环路会使得输出的共模电平稳定在VDD/2。
所以，一个全差分放大器通常由主放大器和共模反馈环路两部分组成，它在现代的（电路设计）中应用非常广泛。
1.全差分运算放大器结构框图共模反馈的基本思想就是由一个共模采样电路取得电路的输出共模信号，然后把共模信号与一个参考信号相比较，将比较后的误差信号放大后再输入主放大器以调节输出共模电压。
对于输入的差分信号来说，共模反馈环路不会对交流信号产生影响，相当于说共模环路对于交流是开路的。
所以，电路的差分增益和相位就由主放大器决定。
但是，对于输入的共模信号，共模反馈环路决定了输出的共模电平，这时，共模环路的增益和相位就会对电路的输出共模电平的精度和稳定性产生影响。
全差分放大器在应用中的一种电路形式，差分输出的信号摆幅vO1-vO2 为单端信号vO1(vO2)摆幅的两倍，所以在输出端可以有较大的输出动态范围，相对于单端输出提高了处理信号的幅度能力。
2. 常见的全差分运算放大器电路(a)是普通的全差分放大器电路，通常作为一个放大器的输入级部分。
图7-3(b)是折叠式全差分运算放大器电路，它的增益会比较大，可以达到60~70dB，但同时会消耗比较大的功耗，因为它有四条支路需要（电流）。
全差分运放电路的设计
一个全差分运放电路的设计王彦、嵇楚内容安排• • • • • 1）运放的设计要求 2）结构的选取 3）参数计算 4）仿真结果 5）性能指标• • • • • • • • • • • •DC gian: Gain Bandwidth: Loading: Phase margin: Gain margin: Slew rate: Common mode: GBW of CMFB: Equivalent input noise: Input offset voltage: Output swing:一、设计要求(spec)>80dB >50Mhz =5pF >60 degree >12dB 200V/us 2.5 V(VDD = 5V) >10 Mhz <20 nV / Hz <10 mv > ± 2v (each output)二、电路结构三、参数计算• 1）由Slewrate(200V/us)和C L (5pF) 确定各路 • 电流： 采用R、C电容补偿的方法，选取 C C=2pF 输入级决定的Slewrate： I4 SRrise = CC ，得: I 4 = 400 µ A ，I 9 = 400µA 输出级决定的Slewrate:SR fall = I6选取Cfb =1pf，得:C Ltotal=I6 CC + C L + C fbI 6 = 1.6mA2)输入级跨导gm1选取• DC gain>80dB，AV 0 = 2 × AV 1 × AV 2 = 2 × g m1 g m5 g g m5 × ≈ 2 × m1 × 1 g g ds 3 g + g + 1 g ds 3 + ds 2 g ds1 g ds 5 + g ds 6 + ds 5 ds 6 R fb R fb gm2其中：g ds = λI ds =VE I ds L另外，由于miller电容补偿效应，主极点P1 ≈ g ds 3 2π * AV 2 C C g m1 > 50 MHz 2π C C GBW = AV 1 × AV 2 × P1 ≈g m1 > 6.28 *10 −4 −4 取： g m1 = 7 *103)输出级跨导gm5的选取• 输出级引入次极点Cc Vin Cp +ROA为输入级的寄生电容VoCL + CfbF=CC CC + C PP2 ≈0g m5 CC 2π(C L + C fb ) CC + C PGBWGBW ) > 600 θm = 90 − arctan( P 2 GBW gm1 CL + Cfb 1 = < P gm5 CC 3 2Phase MarginP2P1g m 5 > 3 3 g m1取g m 5 = 8 * g m1 = 56 *10 −44)管子参数的选取• 由模型文件提供:µ nCox = 95 *10 −6 µA / V 2 µ p Cox = 31*10 −6 µA / V 2 VTp ≈ −1V VTn ≈ 0.73V4)M1、M5、M7管子的 选 择W Lg m1(A,B) = 2βI1 = β I 5( W1 40 ) A, B = L1 1W7 20 ( ) A, B = L7 1(W7 40 )C = L7 1g m 5 ( A, B ) = 2βI 6W5 103 ( ) A, B = L5 14)M4、M6、M9管子的 选择W L• 由于output-swing>4V，取电流源的饱 V 和压降为0.5V： DSAT 6 = 0.5W6 2 1 I 6 = µ p Cox VDSAT 2 L6W6 400 ( ) A, B = L6 1W4 100 = L4 1W9 100 = L9 1四、仿真结果1）••••5VG Ω5)Input offset voltage•计算出各管的域值电压偏差和相应的宽长比偏差，代入model和网表后，采用montecarlo法分析，输入电压一端固定为2.5V,另一端则以2.5V为基准进行DC扫描，当输出为2.5V时，相应的扫描电压va即为失调电压。
全差分运算放大器电路
全差分运算放大器电路
全差分运算放大器（Fully Differential Operational Amplifier）是一种电路，通常用于测量差分信号，即两个信号之间的差异。
它可以将两个输入信号相减，输出其差分信号，并具有高共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio，CMRR）的特性，这使得它对于共模信号的抑制能力非常强。
全差分运算放大器的主要特点包括：
1.差分输入：它接受两个不同的输入信号，可以测量它们之间的
差异。
2.共模抑制比（CMRR）：这种放大器设计旨在最大程度地抑制共
模信号，即同时出现在两个输入上的信号，以便更好地提取差分信号。
3.高增益：通常，全差分运算放大器具有较高的开环增益，以确
保小差分信号的放大。
4.常用于差分测量：它通常用于需要测量差分信号的应用，如传
感器接口、音频处理和高速通信系统等。
需要注意的是，实际的全差分运算放大器电路可能更加复杂，具有额外的电路元件和性能特性，以满足特定应用的要求。
在设计和应用中，应根据实际需求来选择适当的操作放大器和电阻值。
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在共源共栅输入级中需要三个电压偏置，为了使得输入级的动态范围大一些，图中的宽摆幅电流源来产生所需要的三个偏置电压。根据宽摆幅电流源的设计要求，必须满足：
7、Miller补偿电阻
电阻Rc可以单独用来控制零点的位置，主要有以下几种方法：
I、将零点搬移到无穷远处，消除零点，Rc必须等于 。
II、把零点从右半平面移动到左半平面，并且落在第二极点 上。这样，输出负载电容引起的极点就去除了。这样做必须满足以下条件：
得到电阻值为
III、把零点从右半平面移动到左半平面，并且使其稍微大于单位增益带宽频率 。比如超过20％
因为
得到电阻值为
四、手工计算
在0.6um工艺库文件中得到工艺参数：
1、确定Miller补偿电容
Veff
W/L（仿真）
Ids
Veff
M1、M2、M7
86u/2u
269uA
0.624V
100u/3u
245uA
0.629V
M3、M4
129u/1u
404 uA
0.372V
200u/1u
368uA
0.285V
M5、M6
60u/1u
404 uA
0.304V
60u/1u
368uA
0.290V
M7、M8
60u/1u
0.301V
MB1、MB2、MB3
10u/2u
25uA
0.276V
10u/2u
25uA
0.276V
MB4
2.5u/1u
26uA
0.854V
2.8u/1u
26.4uA
0.790V
MB5、MB6、MB13
10u/1u
25.8uA
0.363V
10u/1u
25uA
0.356V
MB7、MB8、MB14
10u/1u
定义转换速率SR：
1）、输入级：
单位增益带宽 ，可以得到
所以
其中
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 。
2）、输出级：
该运算放大器的转换速率
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
静态功耗确定了整个电路的静态电流最大值：
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。
3、计算放大管的跨导
根据全差分Slew Rate要求，
M1管的有效电压，
M2管的跨导
根据第二极点是单位增益带宽的两倍，
M9管的跨导
。
取 ，M9管的有效电压
4、电流源偏置管和Cascode管的尺寸
假定电流源偏置管M13、M11、M12、M7和M8，和Cascode管M3-M6的有效电压Veff＝0.3V，这样可以计算出所有管子的尺寸参数。
偏置电流Ibias=25uA,计算可以得到MB1-MB12管的尺寸为，
7、共模负反馈的管子尺寸
共模反馈放大器输入级与差模放大器输入级相匹配，直流工作电流相同。为了提高增益也采用Cascode结构，因此管子尺寸为，
8、开环增益的确定
假设NMOS管与PMOS管的 相等，
得到
五、HSPICE仿真
1、配置电路的DC工作点分析。
为了保证相位裕量有60度，我们要求第二极点 和零点 满足以下两个条件：
则， .这里，我们取Cc＝2PF。
2、确定两级放大器中的工作电流
共模负反馈的输入端电流与差模输入端相同，因此输入级的工作电流
由于有一些寄生电容，预留一些余量，我们取 ，则 。
输出级工作电流为， 。
同样，由于一些寄生电容，预留一些余量取 。
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 之和小于0.5V，输出端的所有PMOS管的 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。
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；
共模信号监测器要求具有很好的线性特性；
共模负反馈与差模信号无关，即使差模信号通路是关断的。
该运算放大采用连续时间方式（Continuous-Time Approach）来实现共模负反馈功能。如图4所示。
该结构共用了共模放大器和差模放大器的输入级中电流镜及输出负载。这样，一方面降低了功耗；另一方面保证共模放大器与差模放大器在交流特性上保持一致。因为共模放大器的输出级与差模放大器的输出级可以完全共用，电容补偿电路也一样。只要差模放大器频率特性是稳定的，则共模负反馈也是稳定的。这种共模负反馈电路使得全差分运算放大器可以像单端输出的运算放大器一样设计，而不用考虑共模负反馈电路对全差分放大器的影响。
部分网表：
VDD VDD 0 DC 5
X1 VDD 0 vb1 vb2 vb3 SOURCE_B
.SUBCKT SOURCE_B 9 0 vb1 vb2 vb3
MB1 1 1 0 0CMOSN L=2U W=10U
MB2 2 1 0 0CMOSN L=2U W=10U
MB3 vb2 1 0 0CMOSN L=2U W=10U
假定 ，则
M11-M12管子的有效电压，
假定 ，则
假定 ，则
假定 ，则
Cascode管M3的跨导为，
5、Miller补偿电阻Rc的确定
我们将零点从右半平面移到左半平面，并且使其为单位增益带宽频率 的1.2倍，则
6、偏置电路的管子尺寸
根据所有MOS的有效电压，我们可以计算出配置电压Vb1－Vb4的值。
25.8uA
0.376V
10u/1u
25uA
0.374V
MB9
10u/1u
25.8uA
0.354V
1.3u/1u
25uA
1.34V
MB10
5u/1u
26uA
0.274V
5u/1u
25.5uA
0.270V
MB11
5u/1u
26uA
0.288V
5u/1u
25.5uA
0.280V
MB12
1.25u/1u
26uA
MB6 6 2 5 5CMOSP L=1U W=10U
MB7 4 vb1 9 9CMOSP L=1U W=10U
MB8 5 vb1 9 9CMOSP L=1U W=10U
MB9 vb2 vb2 vb1 vb1CMOSP L=1U W=1.3U
MB10 6 vb3 7 0CMOSN L=1U W=5U
Ibias 9 1 dc 25u
.ENDS
观察其.lis如下：
观察到mb11管子处于Linear区。要使mb11处于饱和区有三种方法：
I、根据：
在电流不变的情况下，增大 比，从而减小 使管子进入饱和区。但这样破坏了宽摆幅的条件，因此得不到宽摆幅输出。
II、其它不变，减小 ，从而减小 使管子进入饱和区。
MB10 6 vb3 7 0CMOSN L=2U W=10U
MB11 7 6 0 0CMOSN L=2U W=10U
MB12 vb3 vb3 0 0CMOSN L=2U W=2.5U
MB13 vb3 2 8 8CMOSP L=1U W=10U
MB14 8 vb1 9 9CMOSP L=1U W=10U
III、上面两种方法都是减小 使管子进入饱和区的，同样我们可以用增大 的方法来使管子进入饱和区。减小 比，在流过mb12管子的电流不变的情况下，增大了 ,从而提高了mb10管子的栅极电压。因为流过mb10管子的电流不变，其宽长比也没变，所以 不变，从而增大了 使管子进入饱和区。本次设计采用减小 比的方法。取 。
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
第二级增益
整个运算放大器的增益：
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。
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)
MB4 2 2 9 9CMOSP L=1U W=2.5U
MB5 vb1 2 4 4CMOSP L=1U W=10U
MB6 6 2 5 5CMOSP L=1U W=10U
MB7 4 vb1 9 9CMOSP L=1U W=10U
MB8 5 vb1 9 9CMOSP L=1U W=10U
MB9 vb2 vb2 vb1 vb1CMOSP L=1U W=10U