两级全差动运算放大器的设计

华中科技大学

IC课程设计

两级全差动运算放大器的设计

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二零一一年十二月

摘要

应用0.18umCMOS工艺，设计了一个放大倍数为86dB、单位增益带宽为360MHz、负载为1pF的两级全差动运算放大器。可以满足一定的高速度、高精度的指标。两级分别由一个差分的共源放大器和一个折叠式放大器组成。通过运用差动输出代替普通两级运算放大器的单端输出，从而提高了输入动态范围、抑制共模信号和噪声的能力等性能。因此，优于一些传统的两级运算放大器。

关键词：全差动运算放大器；共源放大器；折叠式放大器

Abstract

A fully differential operational amplifier with a DC-gain of 86d

B and a gain-bandwidth of 360 MHz has been implemented in a 0.18um CMOS process.It can satisfy the index of high speed and high precision.And the two level is respectively made up of a common-source amplifier and a Folding amplifier.Therefore,it is better than some of the traditional operational amplifier.

Keywords:fully differential operational amplifier; common-source amplifier; Folding amplifier

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

1.引言 (4)

2. 两级全差动运算放大器设计要求 (4)

3. 电路分析与设计 (4)

3.1.第一级运算放大器设计 (5)

3.1.1第一级差模电压增益 (6)

3.1.2.共模电压输入范围 (6)

3.1.3.第一级增益带宽积GBW (7)

3.1.4.第一级MOS管宽长比 (7)

3.1.5.第一级仿真结果 (7)

3.2.第二级运算放大器设计 (8)

3.2.1.第二级差模电压增益 (9)

3.2.2.偏置电压与偏值电流 (9)

3.2.3.增益带宽积与负载电容 (9)

3.2.4.第二级MOS管宽长比 (9)

3.2.5.第二级仿真结果 (10)

3.3.两级联仿 (10)

3.3.1.差分压摆率 (11)

3.3.2.静态功耗 (11)

3.3.3.等效输入参考噪声 (11)

3.3.4.相角裕度 (12)

3.3.5.两级联仿结果 (13)

4. 结论 (13)

致谢 (14)

参考文献 (14)

心得体会 (15)

1.引言

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，差动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差动输入——差动输出（即全差动）运算放大器。

2.两级全差动运算放大器设计要求

根据性能指标的要求，选择合适的放大器类型，采用0.18um CMOS 工艺，设计一个两级运算放大器性能指标如下：

3.电路分析与设计

首先，可以对典型的差动输入——差动输出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。下面介绍一下全差动运算放大器各功能模块的作用。

电源电压： 1.8V 第一级增益： ≥20dB 第一级GBW: ≥500MHz 两级增益： ≥80dB 相位裕度： ≥60º 差分压摆率： ≥200V/us 等效输入参考噪声：

200nV/

Hz

@1MHz

负载电容： ≤1pF 静态功耗：

尽可能小

典型的全差分运算放大器可以由以下四个部分组成：

V

+

in

V +

out V

-

in

V

-o u t

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。

3.1.第一级运算放大器设计

首先，可以将第一级设计为共源共栅差动输入，电路图如下：

图1 第一级放大电路

差分

输入级 高增益 放大级 相位补偿电路

偏置 电路

由第一级放大电路，可以推算出：

()r

r

g

A

dsn dsp

mp

v 1

1

//

-

=

又因为，

()

I V

V

C g

D

TH

GS

ox

ds

L

W λ

λμ≈-=

2

2

1

I

g

r

D

ds

ds

λ

1

1

≈

=

因此，

()

dB n p

Dp mp v I

g A 201

21

2

1≥⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛+-=λλ 3.1.2.共模电压输入范围 已知电源电压V

dd

=1.8V ，并且只有当栅源电压V gs 大于开启电压V T ，且

V

V

V

T

gs

ds

-≥时，场效应管才能工作于饱和区。

因此，

V

V

v

v

v

v

v v v gsip

dsp dd

th

dsn 1.17.02

max 1

min

=-

-

=

=+

=

所以共模电压输入范围为v v v cm max min <<，取v cm =0.9V 。