0.6μmCMOS工藝全差分運算放大器的設計

0 引言

　　運算放大器是數據采樣電路中的關鍵部分，如流水線模數轉換器等。在此類設計中，速度和精度是兩個重要因素，而這兩方面的因素都是由運放的各種性能來決定的。

　　本文設計的帶共模反饋的兩級高增益運算放大器結構分兩級，第一級為套筒式運算放大器，用以達到高增益的目的；第二級采用共源級電路結構，以增大輸出擺幅。另外還引入了共模反饋以提高共模抑制比。該方案不僅從理論上可滿足高增益、高共模抑制比的要求，而且通過了軟件仿真驗證。結果顯示，該結構的直流增益可達到80 dB，相位裕度達到80°，增益帶寬為74 MHz。

　　1 運放結構

　　通常所用的運算放大器的結構基本有三種，即簡單兩級運放、折疊共源共柵和套筒式共源共柵。其中兩級結構有大的輸出擺幅，但是頻率特性比較差，一般用米勒補償，可使得相位裕度變小，因而電路的穩定性會變差；套筒式的共源共柵結構，雖然頻率特性較好，又因為它只有兩條主支路，所以功耗比較小。但是這些都是以減小輸入范圍和輸出擺幅為代價的。因此，為了緩解套筒式結構對輸入電壓范圍的限制，本文提出了折疊式運算放大器結構的思路。折疊式結構比套筒式結構有更大的輸入共模電平范圍，但卻以減小增益和帶寬，增大噪聲和功耗為代價的。考慮到折疊共源共柵輸入級結構的功耗比較大，因此，本文選擇套筒式共源共柵結構作為輸入級，最后選擇了如圖1所示的全差分結構的兩級運放結構。

　　1．1 主運放結構

　　全差分運算放大電路對環境噪聲具有更強的抑制能力。而套筒式結構則具有高增益、低功耗以及頻率特性好等特點。因此，第一級放大結構(即M0～M8)采用套筒式全差分放大器結構作為輸入級。第二級(即M9～M11)為共源結構，以改善套筒式結構輸出擺幅小的缺點，同時相應提高運算放大器的開環增益。但是，隨著級數的增加，必然會增加電路的零極點，這對系統穩定性的要求更高。因此，必須引入補償電容C3來補償額外的極點，使電路的相位裕度能滿足要求，并使性能穩定。另外，圖1申的VB1用于提供尾電流鏡偏置，VB2和VB3分別用于為PMOS和NMOS提供靜態直流偏置，這三個偏置電壓均提供有偏置電路。