一款高性能共源共柵運算放大器設計

摘要：基于CSMC0．5μm標準CMOS工藝，采用復用型折疊式共源共柵結構，設計一種折疊式共源共柵運算放大器。該電路在5V電源電壓下驅動(dòng)5pF負載電容，采用Cadence公司的模擬仿真工具Spectre對電路進(jìn)行仿真。結果表明，電路開(kāi)環(huán)增益達到了71．7 dB，單位增益帶寬為52．79 MHz，開(kāi)環(huán)相位裕度為60．45°。

關(guān)鍵詞：CMOS工藝；折疊式共源共柵；運算放大器；Spectre

運算放大器是模擬電路中最重要和最通用的單元電路之一，同時(shí)也是許多模擬系統和數／?；旌闲盘栂到y中的一個(gè)完整模塊。運放具有足夠大的正向增益，當加負反饋時(shí)，閉環(huán)傳輸函數與運算放大器的增益幾乎無(wú)關(guān)。利用這個(gè)原理可以設計很多有用的模擬電路和系統。對運算放大器最主要的要求是有一個(gè)足夠大的開(kāi)環(huán)增益以符合負反饋的概念。模擬電路的速度和精度與運算放大器的性能有關(guān)，為了得到更快的速度和更高的精度，要求運算放大器具有更寬的單位增益帶寬和更高的直流電壓增益。

目前常見(jiàn)的幾種放大器結構包括兩級運算放大器、套筒式共源共柵放大器以及折疊共源共柵運放等。兩級運放的輸出擺幅在各種放大器結構中是最大的，然而其主要缺點(diǎn)是頻率特性差；套筒式運放在各種放大器結構中功耗最低、頻率特性好、速度高和帶寬大，但該電路的信號共模輸入范圍和輸出擺幅太??；折疊式共源共柵運算放大器具有增益帶寬大、低頻增益高、擺幅大、速度高、頻率特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應用。R Assaad等人提出的復用型折疊式共源共柵(Recycling Folded Cascode，RFC)結構比折疊共源共柵運算放大器具有更高的增益帶寬、低頻增益和擺率，同時(shí)并不增加功耗和設計面積。本文利用復用型折疊式共源共柵單級運放結構，在5 V電壓下驅動(dòng)5 pF負載電容，設計了一個(gè)單級運放。使增益帶寬為52．79 MHz，低頻開(kāi)環(huán)增益為71．7 dB，相位裕度為60．45°，相比文獻中的折疊式共源共柵運算放大器的增益帶寬4．05 MHz，提高了約13倍；低頻開(kāi)環(huán)增益為43．5 dB，提高了28 dB；相位裕度為59°，而相位裕度在60°以上系統趨于穩定，所以該復用型折疊式共源共柵單級運放結構系統穩定性上也有一定改善。

1 電路分析以及設計

1．1 折疊式共源共柵運算放大器電路分析

文獻中的折疊式共源共柵運算放大器的輸入級均采用差分放大器的電路結構，選用輸入管時(shí)，一般采用PMOS管，整個(gè)電路的結構如圖1所示。

圖1(a)為偏置電路，I1和I2是基準電流，偏置電路提供主電路中所用的所有偏置電壓，在實(shí)際中為了滿(mǎn)足匹配，偏置電路中管子長(cháng)度應該與運放中相應的管子的長(cháng)度相等。圖1(b)為運放主結構，其中M0為折疊共源共柵運放的輸入管提供偏置電流。M1，M2為PMOS差分輸入管，M5，M6與M1，M2形成輸入共源共柵管，M7，M8，M9，M10構成的共源共柵鏡把雙端輸出轉化成單端輸出，并提高了輸出阻抗，有益于提高增益。

1．2 RFC電路設計及分析

新型的復用型折疊式共源共柵運算放大器是從文獻中折疊式共源共柵運算放大器的基礎上改進(jìn)而來(lái)。如圖2的復用型折疊式共源共柵運算放大器主電路中，文獻中折疊式共源共柵運算放大器的M1，M2被分成M1a，M1b，M2a，M2b，流過(guò)每個(gè)管子的電流為IO／2。M3，M4被分成電流鏡M3a，M3b和M4a，M4b，比率為3：1，這種電流鏡的跨接確保了小信號電流來(lái)源于M5，M6的源端，M11，M12的輸入電壓大小與M5，M6相同，設計管子寬長(cháng)比尺寸一樣，M11，M12維持了M3a，M3b，M4a，M4b漏電勢，幫助改善它們之間的匹配性。

圖2中左邊部分為偏置電路，其中Vbp1為M0管提供偏置電流，Vbp2為M7，M8提供偏置電壓。Vbn2為M5，M6，M11，M12提供偏置電壓。I1，I2為外部引入的基準電流。在引入I2后，流過(guò)M1，M14，M15，M16的電流相同，根據電流公式，寬長(cháng)比與Von(過(guò)驅動(dòng)電壓)成反比，調節寬長(cháng)比使|Von|在120～400 mV之間，很容易就能得到Vbp1。計算Vbp1，Vbp2的方法相同。在電路進(jìn)行DC仿真時(shí)，M1和M13工作在線(xiàn)性區。

為了證明復用型折疊式共源共柵運算放大器相比文獻中折疊式共源共柵運算放大器具有的優(yōu)越性，在分析電路時(shí)，假定所有管子工作在飽和區，飽和區電流公式為：

首先分析兩種電路的低頻增益，低頻增益的公式為：Av=GmR0。在折疊式共源共柵運算放大器運放中：GMFC=gm1；復用型折疊式共源共柵運算放大器中：GMRFC=4gm1a，考慮到M1的尺寸是M1a的2倍，由公式Gm=2I／(VGS-VTH)可知，gm1=2gm1a，在相同的輸出電阻情況下，2倍的輸入跨導，大約會(huì )給運放帶來(lái)6 dB的增益提升。在兩個(gè)運放的輸出電阻分析中，由運放主電路的右邊電路的小信號模型有：

ROFC=gm6 rds6(rds2‖rds4)‖gm8 rds8 rds10 (2)

RORFC=gm6 rds6(rds2a‖rds4a)‖gm8 rds8 rds10 (3)

假設其他參數相同的條件下，由公式rds=1／(λID)可知，RORFC比RRFC大。因此，復用型比傳統型折疊式共源共柵運放在低頻增益上有8～10 dB的提升。

低頻增益和帶寬的乘積叫做增益帶寬(GBW)，目前它是放大器的品質(zhì)因數，也是放大器的最重要的指標。在增益開(kāi)始下降的那一點(diǎn)稱(chēng)為帶寬BW或者-3 dB頻率，它由輸出電阻R與負載電容C的乘積所得的時(shí)間常數決定。在電路設計中，帶寬公式為：

其中g(shù)m1=2gm1a，從公式可以看出GBWRFC比GBWFC要大很多。在設計復用型折疊式共源共柵運算放大器時(shí)，要使其穩定工作，其相位裕度(PM)要保證在60°以上。公式為：