高增益高速运算放大器的研究与改进
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In this thesis, analysed and designed the architecture of the new type CMOS high gain high speed operational amplifier. Based on comparing the conventional approaches to achieving low frequency gain boosting, the designed amplifier in this thesis used the positive feedback gain-enhancement techniques. And open-loop pole bounds for positive feedback operational amplifiers are derived. It provides circuit designers with stability guidelines for positive feedback amplifier design. In order to have the better settling performance, the designed amplifier used the techniques of load-compensation and dynamic biasing. This amplifier is used the 0.6um BiCMOS process. When the power supply is 3.3V, the amplifier simulation results indicated that its static power consumes only 0.01mW, achieves about 70dB dc open gain. And the settling time is only 100ns, the Positive / negative slew rate is about 20.5 V/µS and 43V/µS. All of pre-defined specifications are satisfied with the simulation results.
1
（最低有效位）。 2. 放大器的频率响应，它影响放大器的输入响应时间。
国际国内的运算放大器中有很多高增益高速放大器，例如：Liu 和 Yang 利用负阻 补偿研究出来的低电压低功耗 AB 类 OTA 开环增益是 58dB，相位裕度为 61ｏ，建立 时间是 33.6ns [7] 。Yao 和 Steyaert 研究出的 140mW 运算放大器，增益为 50dB，虽然 功耗比较低，但是建立时间需要 2700ns [8] 。NS 生产的 LMP7711 系列可以在 1.8V 的 电压条件下提供 95dB 的共模抑制比（CMRR）和 100dB 的电源抑制比。但是其增益 带宽只有 17MHz。国内哈尔滨工业大学微电子所设计的单电源供电带共模反馈的两级 套筒式的运算放大器增益达到 110dB，单位增益带宽为 60.83MHz [9] 。但是套筒式的 结构消耗了更多的电压裕度，功耗比较大。
论文主要研究如何提高运算放大器增益和速度，并在此基础上设计了一种高速高 增益CMOS运算放大器。本文首先比较了提高放大器增益传统技术的优缺点，继而引 出了正反馈运算放大器。接下来分析了正反馈运算放大器开环极点的边界条件，并以 此作为理论基础，利用正反馈负电导增益增加技术设计运算放大器。在设计过程中还 利用负载补偿技术改善放大器的增益带宽，以及动态偏置技术改善放大器的转换速 率。该运算放大器基于0.6μmBiCMOS工艺。本文最后对设计的运算放大器进行仿真 验证，通过Hspice仿真表明：该放大器在单电源3.3V供电时，可以达到70dB左右的增 益,静态功耗只有0.01mW,建立时间100ns左右，正/负转换速率分别为20.5 V/μS和43V/ μS。各项技术指标满足设计要求。
Many analog and mixed signal systems have performance that is limited by the settling behavior of op amps. These include switched capacitor filters, algorithmic A/D converters, sigma-delta converters, sample and hold circuits, and pipelined A/D converters. In these circuits the settling behavior of the op amp determines the accuracy and the speed. So, high gain and high speed are two of the most important characteristics of op amps.
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。
运放被广泛的运用在模拟电路中，它是设计模拟电路的一个重要的模块。许多模 拟和混合信号系统中有些性能参数由运放的速度和精度所限制。例如：开关电容滤波 器 [2−4] 、系统 A/D 转换器、采样保持电路 [5] 、流水线 A/D 转换器 [6] 等。高增益高速决 定了运放速度和精度特性，因此它们是这些运放中最重要的两个性能参数。在这些电 路中运放的建立时间要求很精确，还要达到一定的速度。
例如在流水线模/数转换器中误差的主要来源是内部多级放大器的速度和精度，而 放大器自身的特性决定了内部多级放大器不会有理想的瞬态特性。两个主要的因素决 定了运算放大器的速度和精度： 1. 运算放大器的直流增益 A0。运放的开环增益必须足够高使得由反馈系数决定放大 器的直流增益,即 Af (0) = A0 (1 + βA0 ) 中 A0 很大，使得直流增益无限接近于1 β 。这样 当放大器正常工作时，运算放大器得到的（误差在）误差范围（之内）小于 1/2LSB
Keywords: High-gain High-speed Operational amplifier Positive feedback gain-enhancement Load-compensation Dynamic biasing Stability
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。
保 密□，在______年解密后适用本授权书。 本论文属于
不保密□。 （请在以上方框内打“√”）
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年月日
年月日
1绪论
本章首先介绍运算放大器的概况，接着引入所设计的高增益高转换速率运算放大 器的设计思想，最后介绍本文的组织结构。
1.1 运算放大器简介
运算放大器是模拟电路的最重要的模块之一，是所有线性电路中最重要的基本单 元电路。运算放大器（op amp）是实现各种放大功能的基本器件 [1] 。运算放大器有很 高的直流增益，这样当运算放大器运用负反馈时，闭环传输函数实际上不依赖于运放 的增益而只和反馈系数有关。这个思想已经被广泛的应用在很多模拟电路和系统中。 理想的运算放大器具有无穷大的差模电压增益、无穷大的输入电阻和零输出阻抗；但 在实际中，一个运算放大器增益、输入/输出阻抗只能接近这些理想值。对于不同的应 用运算放大器有着很多重要的设计参数，例如：直流增益、增益带宽、建立时间、转 换速率、输出摆幅、噪声、共模输入范围、共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR） 等。因为大多数情况下这些参数之间有一个折衷问题，所以在实际中是无法同时优化 所有的参数的。根据不同的应用，误差放大器可以选择优化速度、噪声、输入偏移电 压、共模范围等。不同的电路结构和制造工艺可以优化不同的性能。
第二种传统的方法是增加输出电阻增加增益的单级放大器结构。一是共源共栅放 大器；二是增益增加技术。共源共栅放大器包括直筒式共源共栅结构 [12] 、折叠式共源 共栅结构 [13] 和调节型共源共栅结构 [14] 。共源共栅的拓扑可以说是晶体管的“堆叠” 结构，这种结构在过去常用于增加放大器的直流增益，但是它限制了输出摆幅。单级 共源共栅放大器，是在原来的电源的输出摆幅上下降 5Vdsat。折叠式共源共栅电路可 以提供一个适度的输出摆幅，在原来的电源输出的基础上下降 4Vdsat；但是即使这样 也不能够满足比较器高速的要求。而且在某种程度上，对于一个给定的输出特性这种 放大器工作效率就降低了。共源共栅放大器不适用于低电源电压工作状态；不能在不 影响其它特性的条件下提供比较好的直流增益。共源共栅放大器特别是在亚微米工艺 下的增益特性变得更差。
2
使用共源放大器。共源放大器所需电源为信号的摆幅加上 2Vdsat。这种放大器即使 MOS 管漏极电导退化的情况下也可以得到很高的电压增益。虽然级联电路可以得到很高的 直流增益，但是它增加了额外的相位移动导致复杂的相位补偿。因此限制了级联放大 器在反馈应用中的高频特性。补偿限制了这种放大器的应用 [10−11] ，而且这种运算放大 器效率也不是很高。
下面我们具体分析设计提高运算放大直流增益和频率响应性能的方法，实现运算 放大器的发展趋势：高速、高增益。
1.2 运算放大器的发展趋势
1.2.1 高增益放大器
随着电源电压的下降，器件尺寸的减小，实现高增益运算放大器成为人们研究的 重点。当电源电压下降，不是所有传统的设计思想可以直接应用于低电压环境下的放 大器。减小运算放大器的电源电压会带来很多影响。例如：输入输出信号的摆幅减小 了，这种减小不会增加系统的噪声值，但是信噪比会随着信号的减小而降低。
有两种传统方法可以在 CMOS 工艺下实现比较高的低频电压增益。第一，在多级 运算放大器结构中，使用低增益的级联结构可以产生比较高的直流电压增益。由于每 个增益级不需要很高的增益，这种增益级可以在非常低的电源电压下工作。例如：一 个利用典型的差分放大器结构实现的级联放大器大概只要工作电压高于 3 倍的过驱动 电压 Vdsat 就可以正常工作了。为了不影响电源抑制比或者共模抑制比，可以在输出级
我们发现几乎所有的运算放大器的参数很难全部优化，各个参数之间有一个折衷 关系。因此，设计出的运算放大器往往有很高的增益，或者有很高的转换速度。而且 在低功耗的前提条件下，让运算放大器既能有很高的开环增益，又能有很快的响应速 度，是一个比较困难的事情。而本文的目的就在于，在低电压低功耗的前提条件下， 设计了一款可以有很高的开环增益又可以有很高速度的运算放大器。
华中科技大学 硕士学位论文 高增益高速运算放大器的研究与改进 姓名：尹璐 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：刘政林
20070101
摘要
运算放大器是模拟电路的最重要的模块之一，是所有线性电路中最重要的基本单 元电路。它广泛地用于诸如功率放大器、定时器、稳压器、高灵敏度测量电路等场合。
有些模拟和混合信号系统中电路一些重要性能由运放的速度和精度所限制。例 如：开关电容滤波器、系统 A/D 转换器、采样保持电路、流水线 A/D 转换器等电路。 在这些电路中运放的建立时间要求很精确，还要达到一定的速度。这些因素决定了高 增益、高速，是这些模拟和混合信号系统中运算放大器的两个最重要的特性。
关键词：高增益，高速, 运算放大器，正反馈增益增加，负载补偿，动态偏置，稳定 性
I
Abstract
Operational amplifier (op amp) circuit is one of the most important module in the analog circuit, and it is the most important basic unit in the linear circuit. Op amp is widely used in the power amplifier, timer, regulator and high sensitive measuring circuits.
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（最低有效位）。 2. 放大器的频率响应，它影响放大器的输入响应时间。
国际国内的运算放大器中有很多高增益高速放大器，例如：Liu 和 Yang 利用负阻 补偿研究出来的低电压低功耗 AB 类 OTA 开环增益是 58dB，相位裕度为 61ｏ，建立 时间是 33.6ns [7] 。Yao 和 Steyaert 研究出的 140mW 运算放大器，增益为 50dB，虽然 功耗比较低，但是建立时间需要 2700ns [8] 。NS 生产的 LMP7711 系列可以在 1.8V 的 电压条件下提供 95dB 的共模抑制比（CMRR）和 100dB 的电源抑制比。但是其增益 带宽只有 17MHz。国内哈尔滨工业大学微电子所设计的单电源供电带共模反馈的两级 套筒式的运算放大器增益达到 110dB，单位增益带宽为 60.83MHz [9] 。但是套筒式的 结构消耗了更多的电压裕度，功耗比较大。
论文主要研究如何提高运算放大器增益和速度，并在此基础上设计了一种高速高 增益CMOS运算放大器。本文首先比较了提高放大器增益传统技术的优缺点，继而引 出了正反馈运算放大器。接下来分析了正反馈运算放大器开环极点的边界条件，并以 此作为理论基础，利用正反馈负电导增益增加技术设计运算放大器。在设计过程中还 利用负载补偿技术改善放大器的增益带宽，以及动态偏置技术改善放大器的转换速 率。该运算放大器基于0.6μmBiCMOS工艺。本文最后对设计的运算放大器进行仿真 验证，通过Hspice仿真表明：该放大器在单电源3.3V供电时，可以达到70dB左右的增 益,静态功耗只有0.01mW,建立时间100ns左右，正/负转换速率分别为20.5 V/μS和43V/ μS。各项技术指标满足设计要求。
Many analog and mixed signal systems have performance that is limited by the settling behavior of op amps. These include switched capacitor filters, algorithmic A/D converters, sigma-delta converters, sample and hold circuits, and pipelined A/D converters. In these circuits the settling behavior of the op amp determines the accuracy and the speed. So, high gain and high speed are two of the most important characteristics of op amps.
学位论文作者签名：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。
运放被广泛的运用在模拟电路中，它是设计模拟电路的一个重要的模块。许多模 拟和混合信号系统中有些性能参数由运放的速度和精度所限制。例如：开关电容滤波 器 [2−4] 、系统 A/D 转换器、采样保持电路 [5] 、流水线 A/D 转换器 [6] 等。高增益高速决 定了运放速度和精度特性，因此它们是这些运放中最重要的两个性能参数。在这些电 路中运放的建立时间要求很精确，还要达到一定的速度。
例如在流水线模/数转换器中误差的主要来源是内部多级放大器的速度和精度，而 放大器自身的特性决定了内部多级放大器不会有理想的瞬态特性。两个主要的因素决 定了运算放大器的速度和精度： 1. 运算放大器的直流增益 A0。运放的开环增益必须足够高使得由反馈系数决定放大 器的直流增益,即 Af (0) = A0 (1 + βA0 ) 中 A0 很大，使得直流增益无限接近于1 β 。这样 当放大器正常工作时，运算放大器得到的（误差在）误差范围（之内）小于 1/2LSB
Keywords: High-gain High-speed Operational amplifier Positive feedback gain-enhancement Load-compensation Dynamic biasing Stability
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。
保 密□，在______年解密后适用本授权书。 本论文属于
不保密□。 （请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：
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年月日
年月日
1绪论
本章首先介绍运算放大器的概况，接着引入所设计的高增益高转换速率运算放大 器的设计思想，最后介绍本文的组织结构。
1.1 运算放大器简介
运算放大器是模拟电路的最重要的模块之一，是所有线性电路中最重要的基本单 元电路。运算放大器（op amp）是实现各种放大功能的基本器件 [1] 。运算放大器有很 高的直流增益，这样当运算放大器运用负反馈时，闭环传输函数实际上不依赖于运放 的增益而只和反馈系数有关。这个思想已经被广泛的应用在很多模拟电路和系统中。 理想的运算放大器具有无穷大的差模电压增益、无穷大的输入电阻和零输出阻抗；但 在实际中，一个运算放大器增益、输入/输出阻抗只能接近这些理想值。对于不同的应 用运算放大器有着很多重要的设计参数，例如：直流增益、增益带宽、建立时间、转 换速率、输出摆幅、噪声、共模输入范围、共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR） 等。因为大多数情况下这些参数之间有一个折衷问题，所以在实际中是无法同时优化 所有的参数的。根据不同的应用，误差放大器可以选择优化速度、噪声、输入偏移电 压、共模范围等。不同的电路结构和制造工艺可以优化不同的性能。
第二种传统的方法是增加输出电阻增加增益的单级放大器结构。一是共源共栅放 大器；二是增益增加技术。共源共栅放大器包括直筒式共源共栅结构 [12] 、折叠式共源 共栅结构 [13] 和调节型共源共栅结构 [14] 。共源共栅的拓扑可以说是晶体管的“堆叠” 结构，这种结构在过去常用于增加放大器的直流增益，但是它限制了输出摆幅。单级 共源共栅放大器，是在原来的电源的输出摆幅上下降 5Vdsat。折叠式共源共栅电路可 以提供一个适度的输出摆幅，在原来的电源输出的基础上下降 4Vdsat；但是即使这样 也不能够满足比较器高速的要求。而且在某种程度上，对于一个给定的输出特性这种 放大器工作效率就降低了。共源共栅放大器不适用于低电源电压工作状态；不能在不 影响其它特性的条件下提供比较好的直流增益。共源共栅放大器特别是在亚微米工艺 下的增益特性变得更差。
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使用共源放大器。共源放大器所需电源为信号的摆幅加上 2Vdsat。这种放大器即使 MOS 管漏极电导退化的情况下也可以得到很高的电压增益。虽然级联电路可以得到很高的 直流增益，但是它增加了额外的相位移动导致复杂的相位补偿。因此限制了级联放大 器在反馈应用中的高频特性。补偿限制了这种放大器的应用 [10−11] ，而且这种运算放大 器效率也不是很高。
下面我们具体分析设计提高运算放大直流增益和频率响应性能的方法，实现运算 放大器的发展趋势：高速、高增益。
1.2 运算放大器的发展趋势
1.2.1 高增益放大器
随着电源电压的下降，器件尺寸的减小，实现高增益运算放大器成为人们研究的 重点。当电源电压下降，不是所有传统的设计思想可以直接应用于低电压环境下的放 大器。减小运算放大器的电源电压会带来很多影响。例如：输入输出信号的摆幅减小 了，这种减小不会增加系统的噪声值，但是信噪比会随着信号的减小而降低。
有两种传统方法可以在 CMOS 工艺下实现比较高的低频电压增益。第一，在多级 运算放大器结构中，使用低增益的级联结构可以产生比较高的直流电压增益。由于每 个增益级不需要很高的增益，这种增益级可以在非常低的电源电压下工作。例如：一 个利用典型的差分放大器结构实现的级联放大器大概只要工作电压高于 3 倍的过驱动 电压 Vdsat 就可以正常工作了。为了不影响电源抑制比或者共模抑制比，可以在输出级
我们发现几乎所有的运算放大器的参数很难全部优化，各个参数之间有一个折衷 关系。因此，设计出的运算放大器往往有很高的增益，或者有很高的转换速度。而且 在低功耗的前提条件下，让运算放大器既能有很高的开环增益，又能有很快的响应速 度，是一个比较困难的事情。而本文的目的就在于，在低电压低功耗的前提条件下， 设计了一款可以有很高的开环增益又可以有很高速度的运算放大器。
华中科技大学 硕士学位论文 高增益高速运算放大器的研究与改进 姓名：尹璐 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：刘政林
20070101
摘要
运算放大器是模拟电路的最重要的模块之一，是所有线性电路中最重要的基本单 元电路。它广泛地用于诸如功率放大器、定时器、稳压器、高灵敏度测量电路等场合。
有些模拟和混合信号系统中电路一些重要性能由运放的速度和精度所限制。例 如：开关电容滤波器、系统 A/D 转换器、采样保持电路、流水线 A/D 转换器等电路。 在这些电路中运放的建立时间要求很精确，还要达到一定的速度。这些因素决定了高 增益、高速，是这些模拟和混合信号系统中运算放大器的两个最重要的特性。
关键词：高增益，高速, 运算放大器，正反馈增益增加，负载补偿，动态偏置，稳定 性
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Abstract
Operational amplifier (op amp) circuit is one of the most important module in the analog circuit, and it is the most important basic unit in the linear circuit. Op amp is widely used in the power amplifier, timer, regulator and high sensitive measuring circuits.