低电压、高速、高稳定性集成运算放大器芯片设计

图３中Ｒ是电流源的等效阻抗，晶体管Ｍ，。可 以等效为两个受控电流源并联，ｇ。，，Ｕ抽为Ｍ。。的栅 跨导，ｇ。“。，Ｕ。。。。为Ｍ．。衬底与源级之间的等效跨 导。电路的输入阻抗近似为无穷大，电路的输出电 压增益情况可以表达为
舻万≤筹矗丽
（１３）
通常栅极跨导ｇ。》ｇ。“∽因此在忽略掉等式
分母项中“１”和“ｇ。“。，”两项后，可以得出电路 的电压增益近似为１，但是通过此电路可以获得较
ＵＨｌ５）
（１１）
可使晶体管Ｍ。。和Ｍ。。构成的共源共栅电流输
出端消耗的电压余度最小，并且可以输出精准的偏 置电流。 １．２三支路基准电流源
基准电流源是模拟电路中必不可少的基本部 件，模拟电路高性能的实现要依赖高稳定性的基准
电流源来提供基础偏置。在设计基准电流源时采用 了三支路结构，可使电源抑制比达到良好的性能。
赵秋明等：低电压、高速、高稳定性集成运算放大器芯片设计
２．２设计结果 该芯片采用ＣＭＯＳ ０．１８ ｔｘｍ，１．８ Ｖ工艺设
计，芯片版图核心部分如图４所示，芯片电路面积 为０．３６ ｍｍ２（核心电路面积０．０２ ｍｍ２），芯片功 耗为３ ｍＷ。
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ｂ叫１。， 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 ｔｔｍ，１．８ Ｖ ＣＯＭＳ工艺进行设计。
Ｆｉｇ．２
图２ 两级放大小信号弥勒等效模型 Ｍｉｌｌｅｒ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｓｔａｇｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｍａｌｌ ｓｉｇｎａｌ
将该两级运放第一（二）级电路等效为受控电 流源ｇ。Ｉ ｕｉ。和ｇ。Ｉ ｕＩ，ＣＩ（ＣⅡ）和ＲＩ（ＲⅡ）分别 是从第一（二）级输出端的对地的等效电容和电
成的影响。 晶体管Ｍ。的宽长比为Ｗ。／Ｌ。，Ｍ。的宽长比
为Ｋ（ｗ。／Ｌ。），Ｋ为比例系数，该基准电流源的
输出电流表达式为［１２］
Ｉｏｏ，２面氯哥而。意（卜袁） ｎ２）
由式（１２）可以看出，该电路的温度特性与电阻 Ｒｓ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。取值有关，与电源电压无 关。通过设计电阻Ｒｓ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
相对于普通电流分配单元（ｒｏ。＝ｒｄ。）［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。１４ｒｄ５１。ｒｄ８１５（１＋功４），因此本电路更接近于理性
的电流源。
‘当电路中所有晶体管都处于饱和区，且乩ｓ，。＝
魄翱，ＵＤｓ。；＝Ｕ脚，调节Ｕ。可使下式成立，即
Ｕｂ＝ＵＧ鸽＋（Ｕ凶一ＵＴＨ９）＝ＵＧｓｌ４＋（【，ＧＳｌ５一
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。。～Ｍ２，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．，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。
图３缓冲输出电路小信号等效模型 Ｆｉｇ．３ Ｓｍａｌｌ ｓｉｇｎａｌ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ０．１８扯ｍ ＣＭＯＳ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ，ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉ— ｔｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐ—ａｍｐ ｃｈｉｐ ｗｉｔｈ １．８ Ｖ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ９１０ ＭＨｚ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓ／ｉ— ｔｕｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐ—ａｍｐ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍｉｌｌｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｚｅ－ ｒｏｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｒｉ—ｂｒａｎｃｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌＯＷ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｄ—ｃａｓｃｏｄｅ ｂｉａｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｓｔ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｌａｙｏｕｔ ｂｙ Ｃａｄｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｅ ｅｍｕｌａｔｏｒ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｌａｒｇｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｓｗｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｙｓ— ｔｅｒｎｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ａｔ ｍｉｄｄｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎａｌｏｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｃｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ＡＧＣ，ｅｔｃ．
２０１０年７月
万方数据
锻纳电子技术第４７９９７期４５１
赵秋明等：低电压、高速、高稳定性集成运算放大器芯片设计
０引 言
模拟集成运算放大器是集成电路的主要类型之 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。
４５２ Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＴｅｃｈｎＯＺｏｇｙ Ｖ０１．４７ Ｎｏ．７
万方数据
提高电路的相位余度及摆率等性能指标的目 的［３’８’１ ２１。
设计关键晶体管Ｍ，。～Ｍ。，和Ｍ．。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Ｊ， 和ｆ：，利用式（１）‘引，（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
Ｒ。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Ｊ，和ｊ：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，～Ｍ。，
Ｍ，。和Ｍ，；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
，－ｏ。ｔ＝ｒｄ璺１４＋ｒｄ５１５＋ｇｍｌ４ｔ＂ｄ。１４，．ｄｓｌ５（１＋研４） （１０）
Ａ＝高等知‘赢等黯 ㈤
ＧＢ＝７９ｉｎｌ２
‘（２）
Ｌ／ｆ
（３）
ＳＲ＝西１１ 式中：ｇｍ。。和ｇｍｌｓ为晶体管Ｍ１：和Ｍ，。的跨导参数； Ａ∽丸，和丸。是晶体管Ｍ１，，Ｍ１。和Ｍ１。的沟道调制系 数；ＡＬ是串联晶体管Ｍ１，和Ｍ１。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。
其电路如图１中晶体管Ｍ，～Ｍ。、电阻Ｒｓ构成。 相对于普通电流源来说，三支路电流源多了一
条由电源到地的通路［１２］，用于形成负反馈。工作
原理为：当电源电压升高时，Ｍ：的漏端电压升 高；Ｍ。管将作为一个共源级，使得Ｍｓ的漏端电
压降低，Ｍ。的漏端电压升高；同时又在Ｍ：管共 源级的作用下，Ｍ：的漏端电压将降低。由此形成 了一个负反馈回路，抑制了电源电压波动对电路造
大的输出电流，提高输出信号功率，增强电路输出
驱动能力。
２ 芯片设计结果
２．１设计主要技术目标 静态功耗≤３．５ ｍＷ；开环增益≥６０ ｄＢ；单位
增益带宽９００ ＭＨｚ；转换速率＞一２５０ Ｖ／ｔＬｓ；摆幅 范围＞１．４ Ｖ；电源抑制比优于一９５ ｄＢ；
２０１０年７月
万方数据
微纳电子技术第４７卷第７期４５３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｌｏｗ—Ｖｏｌｔａｇｅ，Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＯＰ—ＡＭＰ Ｃｈｉｐ
Ｚｈａｏ Ｑｉｕｍｉｎｇ，Ｚｈａｏ Ｍｉｎｇｊｉａｎ，Ｗａｎｇ Ｗｅｉｄｏｎｇ
（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉ挖５４１００４。Ｃｈｉｎａ）
微电子器件与技术
Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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 ｂｔｍ ＣＭＯＳ标准工艺，设计了一种工作电压为１．８ Ｖ、带宽达到９１０ ＭＨｚ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 Ｓｐｅｃｔｒｅ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：ＴＮ４３２ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－４７７６（２０１０）０７－０４５卜０５