用于Sigma-Delta調制器的低電壓跨導運算放大器

摘要：跨導運算放大器是模擬電路中的重要模塊，其性能往往會決定整個系統的效果。這里設計了一種適用于高階單環Sigma-Delta調制器的全差分折疊式共源共柵跨導運算放大器。該跨導運算放大器采用經典的折疊式共源共柵結構。帶有一個開關電容共模反饋電路。運算放大器使用SIMC O．18μm CMOS混合信號工藝設計，使用Spectre對電路進行整體仿真，仿真結果表明，負載電容為5 pF時，該電路直流增益可達72 dB、單位增益帶寬91．25MHz、相位裕度83．35°、壓擺率35．1 V／μs、功耗僅為1．41 mW。本設計采用1．8 V低電源電壓供電，通過對電路參數的優化設計，使得電路在低電壓條件下仍取得良好的性能，能滿足sigma Delta調制器高精度的要求。
關鍵詞：跨導運算放大器；折疊式共源共柵；COMS；sigma-Delta調制器

在小尺寸、高性能、便攜的移動通訊和消費電子產品的需求飛速增長的帶動下，sigma-Delta型模數轉換器得到了更廣泛的研究和使用。Sigma-Delta模數轉換器具有對電路匹配精度要求很低，精度高等特點，以跨導運算放大器OTA(Operational Ttansconoluctance Amp-lifier)為核心的調制器是Sigma-Delta模數轉換器電路中的模擬電路部分。其結構選擇和電路參數設計都極大影響著整個模數轉換器所達到的速度和精度。
這里提出了一種用于16位三階單環CIFB型Sigma-Delta調制器的全差分折疊式共源共柵跨導運算放大器設計方案，其電路仿真結果顯示，該設計性能指標達到該調制器所需要求。

1 電路性能要求及結構參量
1．1 跨導運算放大器指標分析
運放的有限增益會引起相位偏移，從而將造成噪聲傳輸函數(NTF)的零點偏離正常位置。三階單環CIFB型Sigma-Delta調制器是用巴特沃茲三階濾波器實現的，這種結構的優點是對系數不敏感，允許系數和零極點位置。三階單環CIFB型Sigma-Delta調制器是用巴特沃茲三階濾波器實現的，這種結構的優點是對系數不敏感，允許系數和零極點存在較大的容差，因此對運放的增益要求較低。通常運放增益大于60 dB就不會影響調制器的性能。
積分器的輸出電壓需要一定的建立時間，一部分是非線性轉換時間tSR，取決于運放的壓擺率，另一部分是線性建壓時間tL，取決于運放的單位增益帶寬。為了防止諧波出現在輸出中，積分器的輸出必須在半個時鐘周期內建立

圖1為三階單環調制器行為級仿真模型，根據圖l的行為級綜合結果，只有OTA的壓擺率大于40 V／μs，單位增益帶寬大于50 MHz才能滿足式(1)的要求。