一種新型高速CMOS全差分運算放大器設計

摘要：設計了一種基于流水線模／數轉換系統應用的低壓高速CMOS全差分運算放大器。該運放采用了折疊式共源共柵放大結構與一種新型連續時間共模反饋電路相結合以達到高速度及較好的穩定性。設計基于SMIC 0．25μm CMOS標準工藝模型，在Cadencc環境下對電路進行了Spec tre仿真。在2．5 V單電源電壓下，驅動0．5 pF負載時，開環增益為71．1 dB，單位增益帶寬為303 MHz，相位裕度為52°，轉換速率高達368．7 V／μs，建立時間為12．4 ns。
關鍵詞：高速運算放大器；全差分；折疊式共源共柵；共模反饋

隨著數／模轉換器(DAC)、模／數轉換器(ADC)的廣泛應用，高速運算放大器作為其核心部件受到越來越廣泛的關注和研究。速度和精度是模擬集成電路的2個重要指標，然而速度的提高取決于運放的單位增益帶寬及單極點特性并相互制約，而精度則與運放的直流增益密切相關。在實際應用中需要針對運放的特點對這2個指標要進行折衷考慮。

1 運放結構與選擇
根據需要，本文設計運算放大器需要在較低的電壓下能有大的轉換速率、快的建立時間，同時要折衷考慮增益與頻率特性及共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)等性能。
常見的用于主運放設計的結構大致可分3種：兩級式(Two Stage)結構、套簡式共源共柵(Telescopic Cascode)結構及折疊式共源共柵(Fold Cascode)結構。兩級式結構的第1級可提供高的直流增益，而第2級提供大的輸出擺幅。但由于第2級電流很大，故使得運放功耗大大增加，同時由于級聯而多產生一個非主極點，速度及帶寬都有所降低，需進行頻率補償，這樣不僅增加的設計復雜度還會大大影響運放的速度；套簡式共源共柵結構由于只有2條支路，功耗為三者最低，頻率特性最好，但由于需要層疊多級管子，導致輸出擺幅很低，在低電壓工作下很難正常工作，并且輸入輸出端不能短接；而折疊式共源共柵結構的各參數特性介于前兩者之間，增益基本與套簡式共源共柵相同而低于兩級運放，雖為4條支路，功耗及頻率特性均遠好于兩級運放，輸出擺幅大于套筒式共源共柵結構，輸入輸出可以短接且輸入共模電平更容易選取并可接近電源供給的一端電壓。經綜合考慮，本設計采用折疊式共源共柵結構作為主運放。

2 主運放分析
2．1 全差分折疊式共源共柵
全差分運放即指輸入和輸出都是差分信號的運放，其優點為能提供更低的噪聲，較大的輸出電壓擺幅和共模抑制比，可較好地抑制諧波失真的偶數階項等。雖然NMOS管中載流子遷移率較大，作為輸入器件可達到更高的增益，但付出的代價是折疊點上的極點更低而導致相位裕度下降且噪聲更大。綜合考慮，本設計采用PMOS管為輸入管的共源共柵結構。如圖1所示，PMOS管M0為偏置電流源，輸入管M1，M2將在M0提供的固定偏置電流作用下，將差分輸入電壓轉化為差分電流，經過共源共柵管M5，M6的作用下再產生差分輸出電壓Vout1與Vout2。而層疊的PMOS對管M7，M8與M9，M10起到了穩定輸出電平與提高增益的作用。