增益增強共源共柵放大器的設計

本文設計了一種采用增益增強結構的帶開(kāi)關(guān)電容共模反饋的折疊式共源共柵跨導運算放大器，可用于流水線(xiàn)結構的A/D中。出于對性能及版圖因素的考慮，采用了單端放大器作為增益提高輔助放大器。并通過(guò)改進(jìn)共模負反饋電路，使得放大器輸出共模反饋電壓穩定更快，抖動(dòng)更小。本設計在Cadence環(huán)境下對運放的電路和版圖進(jìn)行了仿真。結果表明，放大器的各項性能參數達到了理想的效果。

　　1 電路結構的分析與設計

　　CMOS跨導運算放大器常用結構有兩級放大結構、套筒結構和折疊共源共柵結構等形式。兩級放大結構的運放電路結構雖然具有高增益、高擺幅等優(yōu)點(diǎn)，但由于每一級至少引入一個(gè)極點(diǎn)，為了保障整個(gè)放大器的相頻特性滿(mǎn)足要求，需要額外的頻率補償電路，從而提升了放大器的電流和功耗，限制了放大器帶寬，同時(shí)降低了放大器速度，因此不能滿(mǎn)足本設計中對于運放帶寬和速度的要求。套筒式結構雖然具有較高的增益、較好頻率特性及較低功耗，但是受到結構限制，其輸出擺幅和共模輸入范圍小，不滿(mǎn)足設計要求。折疊式共源共柵結構針對套筒結構輸出擺幅小的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加電路支數，提高功耗，在提供較高的增益前提下，又滿(mǎn)足了大帶寬、高擺幅和高速的要求。通過(guò)對折疊共源共柵結構應用增益增強技術(shù)，可以在不影響信號帶寬、壓擺率和相位特性的情況下進(jìn)一步提高電路直流增益。因此，針對本設計的特殊要求，選取了應用增益增強技術(shù)的折疊式共源共柵結構。

　　1.1 主運放電路

　　本文設計的折疊共源共柵運算放大器如圖1所示。M0，M1為差分輸入對管;M2為差分對管恒流源;M4，M5為電流源;M6，M7為共柵管;M8，M10，M58，M59為共源共柵電流源負載。由于NMOS管的載流子遷移率更高，采用NMOS管作差分輸入級可提高運放增益和帶寬。

　　當無(wú)增益提高輔助運放時(shí)，主運放的小信號電壓增益為：

　　可見(jiàn)，與基本的恒流源負載放大電路相比，輸出節點(diǎn)的輸出電阻增大gmRout倍，所以共源共柵結構的運算放大器能夠提供高增益。

1.2 開(kāi)關(guān)電容共模負反饋電路

　　由于折疊共源共柵放大器需要極其精準的偏置電壓才能使電路輸出共模穩定在一個(gè)固定值，因此必須引入一個(gè)共模負反饋電路，來(lái)使整個(gè)電路的輸出共模穩定在要求的輸出電壓共模上。常用的共模負反饋電路分為連續時(shí)間型共模負反饋和開(kāi)關(guān)電容共模負反饋兩種。由于開(kāi)關(guān)電容共模負反饋即無(wú)靜