适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
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流支路, 功耗相对较低, 常作为高速、高精度两级运 算放大器的输入级。由于从电源到地级联的 M OS 管多达 5 个, 限制了输出摆幅, 因此, 采用共源极输 出, 以获得宽输出摆幅, 同时提高整个运放的驱动能 力[ 5] 。
图 1 两级全差分运算放大器 F ig . 1 T wo- stage fully differ ential operat ional amplifier
为了确保运放具有良好的稳定性, 采用极点- 零 点抵消的密勒电容补偿技术[ 6] , 并且分别针对运放
输入级、输出级设计了连续时间共模反馈电路和开
关电容共模反馈电路来稳定各级共模电平。
2. 1 连续时间共模反馈 由于运放的输入级对摆幅要求不高, 而开关电
容共模反馈回路会降低运放内部主极点的位置, 导
第 41 卷第 2 期 2011 年 4 月
微电 子学 Micr oel ect r onics
V ol. 41, No . 2 A pr. 2011
适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
尹 浩1 , 陈必江1 , 李 靖1 , 杜 翎1 , 汤川洋1 , 于 奇1 , 宁 宁1 , 邓春健2
( 1. 电子科技大学 电子薄膜与集成器 件国家重点实验室, 成都 610054; 2. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)
略有偏差, 但并不影响电路的正常工作。 2. 2 开关电容共模反馈
连续型共模反馈的缺点在于限制了电路的输出
摆幅。为了使运放有尽可能宽的输出摆幅, 输出级 采用开关电容共模反馈电路[ 8] , 如图 3 所示。图 3 中, V out+ 和 V out- 分别为运放输出电平, V cmf b2 为输出
时单位增益带宽为 1. 163 GH z。
关键词: 运算放大器; 连续时间共模反馈; 开关电容共模反馈
中图分类号: T N432
文献标识码 : A
文章编号: 1004- 3365( 2011) 02- 0172- 04
T w o- Stage C ommon-M ode Feedback Structures for Fully Different ial O perat ional A mplifier
图 4 ( a) 、( b) 所示为运放工作时输入级、输出级 共模反馈电路的瞬态输出情况。从图中可以看出, 两级共模反馈电路瞬态输出电平抖动分别为 1. 06 mV 和 2. 21 m V。其中, 输出级共模电平抖动是因 开关电容共模反馈电路时钟抖动引起的, 而稳定后
4 结论
本文介绍了一种两级全差分 CMOS 运算放大
( 6)
由于 Mc1 和 Mc2 漏端相连, 因此
( V S ) cE3 = ( V S ) c5
( 7)
由 ( 6) 、( 7) 式可得:
( V G ) cE3 = ( V G ) c5
( 8)
即
V out, cm = V ctrl
( 9)
由以上分析可以看出, 通过固定偏置 V ctrl 来控
制 V out, cm , 可以 使输出共模电平趋于稳定。由 M c5
图 3 输 出级开关电容共模反馈电路 Fig . 3 SC- CM F B of the o utput stage
3 仿真验证与分析
采用 2. 5 V 电源电压 0. 13 m CM OS 混合信 号工艺, 基于 BSIM 3( V3. 24) 模型, 负载为 1. 5 pF 时, 使用 EDA 仿真软件对整体电路进行仿真。
摘 要: 针对两级全差分运算放大器对输入级和输出级不同的性能要求, 设计了连续时间共模反
馈电路和开关电容共模反馈电路, 使运放在稳定电路直流工作点的同时提高输出摆幅。基于 0. 13
m CM OS 混合信号工艺对电路进行仿真, 结果表明, 该运放两级共模反馈瞬态输出的波动范围分
别为 1. 06 mV 和 2. 21 m V, 在 2. 5 V 电源电压下具有 91. 6 dB 直流开环增益, 负载电容为 1. 5 pF
级尾电流源偏置, V cm, ref 是由基准提供的参考电平,
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尹 浩等: 适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
2011 年
V bias 为偏置电路产生的电容初始电平, 虚线 框中的 dummy 管是为了消除开关管的电荷注入对输出产 生影响; 1 和 2 为两相非交叠时钟, 3 与 2 反
= M cE3
2
( 4)
L Mc2
L Mc5
根据 ( 3) 、( 4) 式, 可得
V GS cE3 V GS c5 -
V th cE3 = V th c5cE3 = 1
2 I re f
nC ox
W L
c5
( 5)
由( 5) 式得:
( V GS ) cE3 = ( V GS ) c5
P. R. China; 2. Zhongshan Inst itute , Univ ersity of Electroni c Science & Technol ogy of China, Zhongshan, Guangdong 528402, P. R. China)
Abstract: For different requirement s o f input and output stag es in 2- stage fully differential operational am plifier
支路可得:
V ctrl =
n Cox
W L
c5
2Ic5 1+ c5
+ V DS c5
V S c5 + V th c5
( 10)
在实际电路调试过程中, 应当保证该共模反馈
电路中 M OS 管均处于饱和区。还应注意到, 由于
M cE3 和 M c5 的漏电压不等, 因此, V ctrl 和 V out , cm 会
( op- amp) , co nt inuo us- time common- mode feedback circuit and sw itched- capacitor commo n- mo de feedback ( SCCM F B) circuit wer e designed, which enlarg ed output sw ing while keeping DC vo ltag e stable at normal operating po int. Results fro m simulatio n based on 0. 13 m CM O S mixed- sig nal process sho wed that the continuous- t ime CM F B and SC- CM FB had a tr ansient output o f 1. 06 mV and 2. 21 mV , respect ively, and the op- amp had a DC g ain of 91. 6 dB, a unity- g ain fr equency o f 1. 163 GH z with 1. 5 pF lo ad capacitance at 2. 5 V .
相, 并且 3 应滞后于 2; CC1 和 CC2 为感应 输出电 平电容, CS1 和 CS2 为用 作电荷转移的开关电容, 通 常, CC1= CC2 , CS1= CS2 。当 2 闭合、 1 断开时, 根据 电荷重分配原理[ 9] , 电路总电荷为:
Q1 = V cm, ref - V bias
Key words: Operatio na l amplif ier; Co nt inuo us- time CM F B; SC- CM FB EEACC: 2570D
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出 摆幅、输入动态范围等方面, 较单端输出运放有很大 优势, 成为应用很广的电路单元。但全差分运放存 在输出共模电平不稳定的问题, 需要设计共模反馈 电路来保证运放正常工作[ 1] 。本文针对两级全差分 运算放大器输入级和输出级不同的性能要求, 设计
Y IN H ao1 , CH EN Bijiang1 , L I Jing1 , D U L ing1 , T A N G Chuanyang 1 , Y U Q i1 , N IN G N ing 1 , DEN G Chunjian2
( 1. S tate Key L ab. of Electronic Thin Fi lms and Integrated D ev ices, University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 610054,
模电平, 此外,
McE3= 2M c3= 2M c4
( 1)
McE6= 2M c6= 2M c7
( 2)
可以看出, 此结构与低压共源共栅电流镜结构
类似, 区别 在于 M c1 和 Mc2 漏端相 连, 可以看 作
Mc1、M c2 并联。可设:
Iou t = 2I ref
( 3)
W
W
L W
Mc1 =
L W
了连续时间共模反馈和开关电容共模反馈, 相对于 传统两级全差分运算放大器[ 2-4, 8, 9] , 很好地解决了 输出共模电平偏移问题, 同时提高了运放的输出摆 幅。
2 电路分析与设计
设计的两级全差分运算放大器的整体电路如图 1 所示。输入级采用套筒式结构, M1、M2 作为两个 NM OS 管的差动输入, 与 M 3、M 4 构成共源共栅输
由( 14) 式可见, 开关电容共模反馈首先检测共
模电平, 再与基准偏置比较, 最后叠加一个初始电平
V bias 来调节 V cmf b2 。
的共模输出电平变化几乎为零。 图 5 为该运放的频率响应曲线。运放在 2. 5 V
电源电压下具有 91. 6 dB 直流开环 增益和 1. 163 GH z 单位增益带宽, 同时可以达到 46 的相位裕度, 实现了高速、高精度, 并且具有稳定的工作状态。
收稿日期: 2010- 05- 14; 定稿日期: 2010- 08- 05 基金项目: 国家教育部博士点基金资助项目( 200806141100) ; 广东 省自然科学基金资助项目( 8452840301001693)
第2期
尹 浩等: 适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
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入单元, M 5~ M8 为共源共栅结构, 作为输入 级有 源负载。高增益、宽带宽的套筒式结构只有两条电
第2期
尹 浩等: 适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
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器, 针对运放的输入级和输出级, 分别设计了连续时 间共模反馈和开关电容共模反馈。在 2. 5 V 电源电 压 0. 13 m CM OS 混合信号工 艺下, 基于 BSIM 3 ( V3. 24) 模型, 使用 EDA 仿真软件, 对整体电路进 行仿真验证。结果表明, 设计的运放具有良好的性 能, 直流开环增益达 91. 6 dB, 在 1. 5 pF 负 载电容 下, 单位增益带宽为 1. 163 GH z, 相 位裕度为 46 。 该共模反馈解决方案可用于高增益、宽带宽两级全 差分运算放大器。
( 12)
V cmf b2 =
V out+ CS 1 + V out2 CS1 + CS 2
CS 2 -
V cm, ref - V bias
( 13)
由于 CS1= CS 2 , 代入( 13) 式, 可得:
V cmf b2 =
V out+
+ 2
V out- -
V cm , ref
+ V bias
( 14)
Cs1 + Cs2 +
V out+ - V cmf b2 CC1 + V out- - V cmf b2 CC2
( 11) 同理, 1 闭合而 2 断开时, 电路总电荷为:
Q2 = V out+ - V cmf b2
CS1 + CC1 +
V out- - V cmf b2
CS2 + CC2
由电荷守恒 Q1 = Q2 , 可得:
致整个运放单位增益带宽减小。相对于开关电容共
模反馈, 连续时间共模反馈不会引入额外的负载, 从
而不会增大输入级的功耗。因此, 输入级采用连续 时间共模反馈[ 7] , 电路结构如图 2( a) 所示。共模反
馈电路主要处理共模信号, 图 2( b) 所示为图 2( a) 的 共模信号等效电路, 其中, V out , cm 是 V out+ 、V out- 输出共
图 1 两级全差分运算放大器 F ig . 1 T wo- stage fully differ ential operat ional amplifier
为了确保运放具有良好的稳定性, 采用极点- 零 点抵消的密勒电容补偿技术[ 6] , 并且分别针对运放
输入级、输出级设计了连续时间共模反馈电路和开
关电容共模反馈电路来稳定各级共模电平。
2. 1 连续时间共模反馈 由于运放的输入级对摆幅要求不高, 而开关电
容共模反馈回路会降低运放内部主极点的位置, 导
第 41 卷第 2 期 2011 年 4 月
微电 子学 Micr oel ect r onics
V ol. 41, No . 2 A pr. 2011
适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
尹 浩1 , 陈必江1 , 李 靖1 , 杜 翎1 , 汤川洋1 , 于 奇1 , 宁 宁1 , 邓春健2
( 1. 电子科技大学 电子薄膜与集成器 件国家重点实验室, 成都 610054; 2. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)
略有偏差, 但并不影响电路的正常工作。 2. 2 开关电容共模反馈
连续型共模反馈的缺点在于限制了电路的输出
摆幅。为了使运放有尽可能宽的输出摆幅, 输出级 采用开关电容共模反馈电路[ 8] , 如图 3 所示。图 3 中, V out+ 和 V out- 分别为运放输出电平, V cmf b2 为输出
时单位增益带宽为 1. 163 GH z。
关键词: 运算放大器; 连续时间共模反馈; 开关电容共模反馈
中图分类号: T N432
文献标识码 : A
文章编号: 1004- 3365( 2011) 02- 0172- 04
T w o- Stage C ommon-M ode Feedback Structures for Fully Different ial O perat ional A mplifier
图 4 ( a) 、( b) 所示为运放工作时输入级、输出级 共模反馈电路的瞬态输出情况。从图中可以看出, 两级共模反馈电路瞬态输出电平抖动分别为 1. 06 mV 和 2. 21 m V。其中, 输出级共模电平抖动是因 开关电容共模反馈电路时钟抖动引起的, 而稳定后
4 结论
本文介绍了一种两级全差分 CMOS 运算放大
( 6)
由于 Mc1 和 Mc2 漏端相连, 因此
( V S ) cE3 = ( V S ) c5
( 7)
由 ( 6) 、( 7) 式可得:
( V G ) cE3 = ( V G ) c5
( 8)
即
V out, cm = V ctrl
( 9)
由以上分析可以看出, 通过固定偏置 V ctrl 来控
制 V out, cm , 可以 使输出共模电平趋于稳定。由 M c5
图 3 输 出级开关电容共模反馈电路 Fig . 3 SC- CM F B of the o utput stage
3 仿真验证与分析
采用 2. 5 V 电源电压 0. 13 m CM OS 混合信 号工艺, 基于 BSIM 3( V3. 24) 模型, 负载为 1. 5 pF 时, 使用 EDA 仿真软件对整体电路进行仿真。
摘 要: 针对两级全差分运算放大器对输入级和输出级不同的性能要求, 设计了连续时间共模反
馈电路和开关电容共模反馈电路, 使运放在稳定电路直流工作点的同时提高输出摆幅。基于 0. 13
m CM OS 混合信号工艺对电路进行仿真, 结果表明, 该运放两级共模反馈瞬态输出的波动范围分
别为 1. 06 mV 和 2. 21 m V, 在 2. 5 V 电源电压下具有 91. 6 dB 直流开环增益, 负载电容为 1. 5 pF
级尾电流源偏置, V cm, ref 是由基准提供的参考电平,
17 4
尹 浩等: 适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
2011 年
V bias 为偏置电路产生的电容初始电平, 虚线 框中的 dummy 管是为了消除开关管的电荷注入对输出产 生影响; 1 和 2 为两相非交叠时钟, 3 与 2 反
= M cE3
2
( 4)
L Mc2
L Mc5
根据 ( 3) 、( 4) 式, 可得
V GS cE3 V GS c5 -
V th cE3 = V th c5cE3 = 1
2 I re f
nC ox
W L
c5
( 5)
由( 5) 式得:
( V GS ) cE3 = ( V GS ) c5
P. R. China; 2. Zhongshan Inst itute , Univ ersity of Electroni c Science & Technol ogy of China, Zhongshan, Guangdong 528402, P. R. China)
Abstract: For different requirement s o f input and output stag es in 2- stage fully differential operational am plifier
支路可得:
V ctrl =
n Cox
W L
c5
2Ic5 1+ c5
+ V DS c5
V S c5 + V th c5
( 10)
在实际电路调试过程中, 应当保证该共模反馈
电路中 M OS 管均处于饱和区。还应注意到, 由于
M cE3 和 M c5 的漏电压不等, 因此, V ctrl 和 V out , cm 会
( op- amp) , co nt inuo us- time common- mode feedback circuit and sw itched- capacitor commo n- mo de feedback ( SCCM F B) circuit wer e designed, which enlarg ed output sw ing while keeping DC vo ltag e stable at normal operating po int. Results fro m simulatio n based on 0. 13 m CM O S mixed- sig nal process sho wed that the continuous- t ime CM F B and SC- CM FB had a tr ansient output o f 1. 06 mV and 2. 21 mV , respect ively, and the op- amp had a DC g ain of 91. 6 dB, a unity- g ain fr equency o f 1. 163 GH z with 1. 5 pF lo ad capacitance at 2. 5 V .
相, 并且 3 应滞后于 2; CC1 和 CC2 为感应 输出电 平电容, CS1 和 CS2 为用 作电荷转移的开关电容, 通 常, CC1= CC2 , CS1= CS2 。当 2 闭合、 1 断开时, 根据 电荷重分配原理[ 9] , 电路总电荷为:
Q1 = V cm, ref - V bias
Key words: Operatio na l amplif ier; Co nt inuo us- time CM F B; SC- CM FB EEACC: 2570D
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出 摆幅、输入动态范围等方面, 较单端输出运放有很大 优势, 成为应用很广的电路单元。但全差分运放存 在输出共模电平不稳定的问题, 需要设计共模反馈 电路来保证运放正常工作[ 1] 。本文针对两级全差分 运算放大器输入级和输出级不同的性能要求, 设计
Y IN H ao1 , CH EN Bijiang1 , L I Jing1 , D U L ing1 , T A N G Chuanyang 1 , Y U Q i1 , N IN G N ing 1 , DEN G Chunjian2
( 1. S tate Key L ab. of Electronic Thin Fi lms and Integrated D ev ices, University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 610054,
模电平, 此外,
McE3= 2M c3= 2M c4
( 1)
McE6= 2M c6= 2M c7
( 2)
可以看出, 此结构与低压共源共栅电流镜结构
类似, 区别 在于 M c1 和 Mc2 漏端相 连, 可以看 作
Mc1、M c2 并联。可设:
Iou t = 2I ref
( 3)
W
W
L W
Mc1 =
L W
了连续时间共模反馈和开关电容共模反馈, 相对于 传统两级全差分运算放大器[ 2-4, 8, 9] , 很好地解决了 输出共模电平偏移问题, 同时提高了运放的输出摆 幅。
2 电路分析与设计
设计的两级全差分运算放大器的整体电路如图 1 所示。输入级采用套筒式结构, M1、M2 作为两个 NM OS 管的差动输入, 与 M 3、M 4 构成共源共栅输
由( 14) 式可见, 开关电容共模反馈首先检测共
模电平, 再与基准偏置比较, 最后叠加一个初始电平
V bias 来调节 V cmf b2 。
的共模输出电平变化几乎为零。 图 5 为该运放的频率响应曲线。运放在 2. 5 V
电源电压下具有 91. 6 dB 直流开环 增益和 1. 163 GH z 单位增益带宽, 同时可以达到 46 的相位裕度, 实现了高速、高精度, 并且具有稳定的工作状态。
收稿日期: 2010- 05- 14; 定稿日期: 2010- 08- 05 基金项目: 国家教育部博士点基金资助项目( 200806141100) ; 广东 省自然科学基金资助项目( 8452840301001693)
第2期
尹 浩等: 适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
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入单元, M 5~ M8 为共源共栅结构, 作为输入 级有 源负载。高增益、宽带宽的套筒式结构只有两条电
第2期
尹 浩等: 适用于全差分运算放大器的两级共模反馈结构
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器, 针对运放的输入级和输出级, 分别设计了连续时 间共模反馈和开关电容共模反馈。在 2. 5 V 电源电 压 0. 13 m CM OS 混合信号工 艺下, 基于 BSIM 3 ( V3. 24) 模型, 使用 EDA 仿真软件, 对整体电路进 行仿真验证。结果表明, 设计的运放具有良好的性 能, 直流开环增益达 91. 6 dB, 在 1. 5 pF 负 载电容 下, 单位增益带宽为 1. 163 GH z, 相 位裕度为 46 。 该共模反馈解决方案可用于高增益、宽带宽两级全 差分运算放大器。
( 12)
V cmf b2 =
V out+ CS 1 + V out2 CS1 + CS 2
CS 2 -
V cm, ref - V bias
( 13)
由于 CS1= CS 2 , 代入( 13) 式, 可得:
V cmf b2 =
V out+
+ 2
V out- -
V cm , ref
+ V bias
( 14)
Cs1 + Cs2 +
V out+ - V cmf b2 CC1 + V out- - V cmf b2 CC2
( 11) 同理, 1 闭合而 2 断开时, 电路总电荷为:
Q2 = V out+ - V cmf b2
CS1 + CC1 +
V out- - V cmf b2
CS2 + CC2
由电荷守恒 Q1 = Q2 , 可得:
致整个运放单位增益带宽减小。相对于开关电容共
模反馈, 连续时间共模反馈不会引入额外的负载, 从
而不会增大输入级的功耗。因此, 输入级采用连续 时间共模反馈[ 7] , 电路结构如图 2( a) 所示。共模反
馈电路主要处理共模信号, 图 2( b) 所示为图 2( a) 的 共模信号等效电路, 其中, V out , cm 是 V out+ 、V out- 输出共