一种高增益宽带CMOS全差分运算放大器

图１．１模拟运算放大器设计流程
寻找能够满足设计规格的电路结构是第一步，也是最耗时间的一步。然而， 在后来的模拟和验证中，适合的电路结构会节省大量的时间和精力。
１．２．２运算放大器的性能优化
“理想”运放具有以下的特性［６Ｊ：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换 速率和开环增益：无噪声、失调、功耗浪费和信号失真； 无负载、频率和电源电 压的限制。
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向ｌｌｙ ｄｉ彘ｒｅｒｌｔｉａｌ ｏｐｅ枷ｏｎａｌ
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Ｊｆ ＣＭＯＳ Ｆｕｌｌｙ Ｄｉ舵ｒｅｌｌｔｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ锄ｐｌｍｅｒ ｗｉｍ ｈｉ曲ｇａｉｎ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｂａＩｌｄｗｉｄｔｈ
ａｒｅ ｒｅａ】ｉｚｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｆｏｌｄｅｄ－ｃａｓｃｏｄｅ ｇａｉｎ．ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｔｅｃｌｌＩｌｉｑｕｅ
锄ｐｌｉｆｉｅｒ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｎｃｆ Ｓ／｝Ｉ
ａｎａｌｏｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｇａｉｌｌ ａＩｌｄ ｕｎｉ妒ｇａｉｌｌ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ａｆｅ也ｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｃａｎｔ ｐｅｒｆｂ加∞＿１１ｃｅ
ｔｈｅｓｅ咖 ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｌＩｓｅｄ ｔｏ ｗｅｉｇｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ锄ｐｌｉｆｉｅｒ，ｓｏ ｉｔ，ｓ ａ ｔ吲ｍ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｃ
在高增益宽带集成运放的研究中，前人做了大量的研发工作。随着电路结构 设计和工艺制造技术的不断改进，高增益宽带运放的性能也不断提高。就带宽来 讲一般的宽带运放单位增益带宽为几百Ｍ｝Ｉｚ，最大的能达到ＧＨｚ级。而高速运放 的转换速率一般为１０００ｖ／¨ｓ内，而最快的能达到几千Ｖｍｓ。高精度集成运放的输入 失调电压一般可以做到毫伏级，输入失调电压温漂可以做到零点几微伏，并且达 到１２０ｄＢ左右的开环增益和共模抑制比Ⅲ…。
ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ’ａ Ｄｃ ｏｐｅｎ－ｌｏ叩ｇａｉｎ ｏｆ １０４ｄＢ ａＩｌｄ ａ ３８５ＭＩ｛ｚ ｕｎ时ｇａｉｎ ｂａｌｌｄｗｉｄｔｈ ａｒｃ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅ ａＩｌｄ ｅ）【ｃｅｅｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｓｉ弘ｄｅｓｉｒｃ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｓｃ抽ｅ ａ ｃｈａ唱ｃ．ｓｃａｌｅ Ｄ，Ａ ｃｏｎＶｅｒｔｏｒ ａｎｄ ａ Ｓ但ｗｉｔｈ ｂｏｏｔｓ妇ｐｐｅｄ Ｓｗｉｔｃｈ’ａｌｌｄ ｄｅｓｉｇｎ ａ ８－ｂｉｔ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ ａ１１ｄ ａ ５０ ＭＳＰＳ Ｓ，Ｈ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ如ｌｌｙ ｄｉｆ融饥ｔｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ弱口
叩ｅｒａｔｉｏｎａｌ锄ｐｌｉｆｉｅｒ、ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ｆｃｅｄｂａｃｋ ａ１１ｄ ｇａｉｎ．ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｄｅｓｉ印
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运算放大器的设计，并完成运算放大器的版图设计。 第四章，基于ＴｓＭＣ Ｏ．２５眦１ ＣＭＯｓ工艺的ＢｓＩＭ３ｖ３模型，采用Ｓｐｅｃ廿ｅ对所
设计的运算放大器的主要性能参数进行了仿真分析。 第五章，利用所设计的运算放大器实现一个八位的Ｄ／Ａ转换器，并完成其版
图设计。 第六章，对本文的工作进行了总结。并讨论了设计中存在的一些问题，初步
ｃｏｒｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｇｏｏｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｇａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ １ａｙｏｕｔ
ｄｅｓｉ印ｔ００１ ＣａｄｅｎｃｅⅥｒｔＩｌｏｓｏ ｗｉｍ ａ ＴＳＭＣ Ｏ．２５肛１ ＤＰＤＭ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ １ａｙｏｕｔｓ
ｃｏｎｌｂｍｉｎｇ ｔｈｅ ｓ仃ｕｃｔｌｌｒｅ Ｏｆｆｏｌｄｅｄ ｃａｓｃｏｄｅ、ｔｗｏ ｄ洎奄ｒｅｎｔｉａｌ－ｐａ趣ＣＭＦＢ ａＩｌｄ ｇａｉｎ－
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ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｍ ｃａｄｅｎｃｅ ｓｐｅｃ仃ｅ ｌｌＩｌｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ２．５Ｖ ｓｉｎ百ｅ
本人签名： 奉！』！豸
导师签名：
日期： 苏刀６．／．伽
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第一章绪论
第一章绪论
１．１背景
运算放大器（以下简称运放）是模拟电路中的一个非常重要而且最通用的单 元模块。所谓全差分运放是指输入和输出都是差分信号的运放，它同普通的单端 输出运放相比有以下几个优点：更低的噪声；较大的输出电压摆幅；共模噪声得 到较好抑制；较好地抑制谐波失真的偶数阶项等。所以高性能的运放多采用全差 分形式。近年来，全差分运放的更高的单位增益带宽频率及更大的输出摆幅使其 在高速和低压电路的应用有更具吸引力【ｌ】【２ｌ。在～Ｄ及Ｄ，Ａ转换器、有源滤波器、 高速采样——保持电路、锁相环电路、模拟乘法器和精密比较器以及视频放大器 等电路中，均需要采用高增益宽带的集成运放。同时随着多媒体和通讯技术的迅 猛发展，高增益宽带运算放大器在蓝牙技术、高速雷达技术、高精度测量、通讯 接收机、高速和高分辨率视频系统、电荷耦合器件图像放大器、超声波信号处理 系统和宽带放大器等方面的应用越来越广泛。由于运放的性能直接影响着整个电 路的动态范围和高频的应用领域，因此研制具有良好性能的高增益宽带集成运放 对满足低功耗、宽频带等通信技术及其它高速模拟信号处理应用有重要的实用价 值。几十年来，运算放大器性能的提高主要表现在以下ｌＯ个方面：高增益、宽频 带、高输入阻抗、高精度、高速度、低功耗、低噪声、低漂移、高电压、大功率。 这其中高速运放的特点是频带宽、建立时间快、失真和噪声小、输出电流大、直 流特性好，能在低电源电压下工作。高精度集成运放是指温漂和噪声非常低、增 益和共模抑制比非常高的集成运放。而本论文中主要对高增益宽带集成运放的设 计进行了探讨。
较好的仿真结果。最后，根据ＴＳＭｃ Ｏ．２５姗双多晶双层铝布线ｃＭＯＳ工艺的设
计规则，利用ｃａｄｅｎｃｅⅥｎＩｌｏｓｏ版图设计工具对高增益宽带ｃＭ０ｓ全差分运算放 大器电路进行了版图设计。
关键词：折叠共源共栅增益提高技术全差分运放数模转换器采样保持器
Ａｂｓｔｒａｃｔ
？ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ锄ｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ａ ｖｅ叮ｉｍｐｏｆｔ锄ｔ ａｎｄ ｍｏｓｔ ｃｏｍｍｏｎ ｕｓｅｄ ｃｅｌｌ ｍｏｄｕｌｅ ｉｎ
１．３论文的主要工作
本文主要目的是设计一种增益超过７０ｄＢ、单位增益带宽超过１００ＭＨｚ的ＣＭＯＳ 全差分运算放大器。在对国内外高增益宽带集成运放技术进行深入研究的基础上， 从运算放大器结构特点及其工作原理出发，对其各种参数的定义和它们之间相互 关系作了详细的阐述，同时把常用的放大器之间的差异做了分析，最后主要结合 折叠共源共栅结构以及增益倍增技术完成了高增益宽带ｃＭＯｓ全差分运放的设计，
展望了高增益宽带运算放大器的未来发展趋势。
４
第二章全差分运算放大器基础
第二章全差分运算放大器基础
２．１全差分ຫໍສະໝຸດ Baidu算放大器的特点
现代模拟集成电路中，高性能的运放多采用全差分形式。所谓全差分运放， 指的是输入输出均为差分形式的运算放大器。全差分运放同普通的单端输出运放 相比，有以下几个优点：
１．全差分运放具有低噪声特性。由于全差分运放电路的结构完全对称 （Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ），因而在理想情况下，外部噪声对运放的两条信号通路 所产生的影响完全相同。由于在全差分结构中，人们所关心的仅是两个信 号之间的差值，这样外部噪声对运放的影响就能消除。然而，这毕竞是在 理想情况下，在实际电路中，外部噪声对不同的信号通路的影响不可能是 完全相同的。因次，全差分运放虽然能够抑制噪声，但也只能是抑制共模 噪声，对差模噪声全差分也无能为力。然而，相对于单端输出运放来说， 其噪声特性还是有较明显改善的。
ｃＭＯＳ全差分运算放大器。基于ＴＳＭｃ Ｏ．２５岫２Ｐ５Ｍ ｃＭＯＳ工艺，利用ｃａｄｅｎｃｅ
ｓｐｅｃ仃ｅ仿真工具分别对所设计的运放电路进行了仿真分析。结果表明，在２．５Ｖ的 单电源电压下，运算放大器的直流开环增益为１０４ｄＢ，单位增益带宽为３８５ＭＨｚ， 达到并超出了最初提出的增益和带宽的要求。论文还分析了一种电荷定标的Ｄ缓 转换器以及带自举开关的采样保持器原理，利用本文设计的全差分运算放大器作 为口核分别应用于一个８位的Ｄ／Ａ转换器和５０ＭｓＰＳ的采样保持器中，并取得了
西安电子科技大学 硕士学位论文
一种高增益宽带CMOS全差分运算放大器 姓名：朱小珍
申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学
指导教师：柴常春 20060101
摘要
摘要
运算放大器是模拟集成电路中重要的、通用的单元模块，增益和单位增益带 宽是衡量运算放大器性能优劣的两个最重要指标，长期以来不断地提高运放的增 益和单位增益带宽指标一直是高性能运放设计的努力方向之一。本文主要分析了 全差分运放、共模反馈和增益提高技术的基本原理，在此基础上基于折叠共源共 栅结构、两差分对组成的共模反馈以及增益提高技术，设计了一种高增益宽带
２．全差分运放具有较大的输出电压摆幅。由于全差分运放的输出为差模输出， 因而其输出电压摆幅同普通运放相比可以变大一倍。此外，互补的输出信 号除了可以使运放的输出摆幅变大一倍以外，还使得运放的增益可以提高 大约６ｄＢ。从而可以在低电源电压下，实现高增益和宽摆幅输出。
事实上，没有运放能达到以上所有的特性。在实际的设计中，运放参数中的 大多数都会互相牵制，这将导致设计变成一个多维优化的问题。如图１．２“模拟电 路设计八边形法则”所示，这样的折衷选择、互相制约对高性能放大器的设计提出 了许多难题，要靠理论和经验才能得到一个较佳的折衷方案【”。
第一章绪论
图Ｉ．２模拟电路设计八边形法则
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｎｔｉｎｕａｌｌｙ ｉｎ ｏｒｄｃｒ ｔｏ ｄｃｓｉ印ｈｉ曲ｐｅｍ咖ｌａＩｌｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｍ ｅｒ．Ｔｈｉｓ
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ｏｆ ｆＩｌｌｌｙ ｄｉ仃ｅｒｅｎｔｉａｌ
并基于ＴｓＭｃ ０．２５岫ｃＭＯｓ工艺的ｓⅡ讧３Ｖ３模型，利用Ｃａｄｅｎｃｅ ｓｐｅｃ仃ｅ工具对所设
计的电路进彳亍了仿真分析，其结果己满足并超出所设计的要求。 本文的结构就是按照作者在论文完成中的工作顺序进行安排的。 第二章，主要介绍了几种常用的ＣＭＯｓ全差分运算放大器结构以及共模反馈
电路的原理，并进行阐述比较。 第三章，主要介绍了增益提高技术原理以及本文要完成的高速ｃＭ０ｓ全差分
２
一种高增益宽带ｃＭＯｓ全差分运算放大器的设计
１．２ ｃＭｏｓ运算放大器的设计方法
１．２．１设计方法介绍
ｃＭ０ｓ运算放大器的设计通常包括结构设计和器件设计两个状态。首先，寻 找可行的结构，如果选择的结构不符合要求，则需要修改结构或重新设计。一旦 符合条件，接着进行器件设计，确定直流工作点、器件尺寸和偏置网络，必须仔 细计算器件的尺寸以满足运放的交、直流要求。为了满足所有的设计指标，这两 个设计步骤需要重复的进行。图１．１给出了运算放大器的设计流程‘５１。