采用增益提高技術的兩級放大器的設計

0 引言

運算放大器是許多模擬系統和混合信號系統中的一個重要部分.高的直流增益無疑是運算放大器重要的設計指標.由于運算放大器一般用來實現一個反饋系統，其開環直流增益的大小決定了使用運算放大器的反饋系統的精度.在現代CMOS模擬電路中，低壓差線性穩壓器(LDO)的設計中，要求運算放大器有高的直流增益來減小其靜態誤差.折疊式共源共柵結構可以提供高的增益，大的輸出電壓擺幅，好的頻率特性，而且功耗比較低.

本文根據設計要求，設計了一種采用增益提高技術的兩級放大器：第一級為在差分輸入單端輸出的折疊式共源共柵放大器中采用增益提高技術的低電壓電流鏡，以達到高增益且可提供適當擺幅，第二級采用共源極電路結構以增大輸出擺幅，同時提供適當的增益.在放大器的兩級之間，采用改善零點頻率的密勒補償技術來使電路達到穩定.經過Cadence spectre軟件仿真顯示，該結構直流增益達到了125.8 dB,相位裕度達到了61.2°.

1 運算放大器的設計

本文所設計的電路是在采用折疊式共源共柵結構的兩級放大器中，采用增益提高技術的低電壓電流鏡來得到高增益.

增益提高技術利用反饋技術來提高信號通路上的輸出阻抗，可以通過如圖1所示的結構來說明.該結構通過電流電壓反饋來控制M4 源端的電壓，使其保持恒定值，由于放大器M6 的作用，輸出電壓的變化對M2 漏端電壓的影響很小.通過M2 的電流變得恒定，從而產生更高的輸出阻抗.由小信號電路分析可知，該電路的輸出阻抗與傳統的共源共柵結構相比，增加了A1 倍.

其輸出阻抗表達式為：

2 總電路結構

圖2 為運算放大器的總電路結構：第一級采用PMOS管作為輸入管的折疊式共源共柵結構，并且在其增益提高級采用了增益提高技術來提高輸出阻抗，進而提高增益.第二級采用簡單的共源級的典型結構輸出，以提供最大的輸出擺幅.為使電路達到穩定，在增益提高級與輸出之間采用了改善零點頻率的密勒補償.

電路的靜態工作條件由偏置電路提供.

2.1 輸入級電路結構設計

在兩級運算放大器的設計中，第一級提供高增益;而在單級放大器中，折疊式共源共柵和套筒式共源共柵均可提供很高的增益.折疊式共源共柵運放與套筒式結構相比，電壓的輸出擺幅較大些，而且在應用方面輸入輸出可以短接，實現單位增益緩沖器;其次，折疊式共源共柵結構的輸入共模范圍大，輸入共模電平可以接近VDD(NMOS作輸入管)或GND(PMOS作輸入管).若采用NMOS管作為輸入管，由于電子比空穴遷移率大，能得到更大的增益，但其折疊點有很大的寄生電容，影響了運放的速度，所以可采用PMOS管作為輸入管來提高主放大器的頻率特性.本文設計的差分輸入單端輸出的折疊式共源共柵結構如圖3 所示，其中M1 ,M2 ,M5 ,M6 構成折疊式差分電路;M3 ,M4 構成差分電路的偏置電流源;M19 構成差分輸入的尾電流源;M7 ,M8 ,M9 ,M10 構成共源共柵電路;M13 ,M14 ,M15 ,M16 ,M17 ,M18 構成增益提高電路，來提高第一級的輸出電阻.

Vbias1 ,Vbias2 ,Vbias3 提供增益提高級的直流偏置電壓.在第一級PMOS差分輸入的折疊式共源共柵中，增益提高技術的增益為：

運放第一級的增益為：Av1 = Gm *Rout ,Gm 為輸入差分管的跨導.

2.2 輸出級電路結構設計

第二級采用電流源負載的共源級電路，不僅可以提供很大的電壓增益，還可以提供大的輸出擺幅.在本文的設計中，如圖4所示，M11 作為第二級的輸入管，M12管提供偏置電流，其偏置電壓由Vbias3 提供.其增益為：

2.3 偏置電路結構的設計

圖5 是本文所設計的偏置電路，Vbias1 為圖3 中輸入管的尾電流源M19 提供直流偏置電壓，Vbias2 為圖3中M5 ,M6 ,M7 ,M8 ,M15 ,M16 提供直流偏置電壓，Vbias3 為M3 ,M4 ,M12 提供直流偏置電壓.M20 ,M21 構成電流鏡，理想電流源通過電流鏡將電流Iref 按管子的寬長比鏡像到M21 管，從而產生電路所需要的直流偏置電壓.