一種高電流效率套筒式共源共柵運算放大器的設計

鮑占營 （湘潭大學?物理與光電工程學院，湖南?湘潭?411105）

摘? 要：本文提出了一種非對稱套筒式共源共柵放大器。同傳統對稱套筒式共源共柵運算放大器相比，在相同 的帶寬和輸入跨導情況下，非對稱套筒式共源共柵結構具有更高的電流利用效率，該結構能夠減小放大器的 尺寸和功耗，同時不影響放大器的增益和輸出擺幅。基于Cadence Spectre對電路進行了仿真驗證，仿真結果表 明，非對稱套筒式共源共柵結構具有接近單端放大器的電流利用效率。 

關鍵詞：非對稱；套筒式共源共柵放大器；帶寬；跨導

0  引言 

放大器是最重要的集成電路之一，可以追溯到真空 管時代。由于放大器具有很多有用的特性，所以已經成 為當代高性能模擬電路和混合信號的主要選擇^[1]。工作 于負反饋狀態的放大器是模擬電路的基本單元之一，廣 泛應用于模擬電路，例如ADC、儀表放大器、誤差放大 器等。 放大器可分為單端放大器與差分放大器。單端放大 器結構簡單，電流效率高，易于計算和使用，但無法 完成差分信號的處理。差分放大器處理差分信號，有更 高的電源噪聲抑制比和更大的輸出擺幅，但是相比于同 類單端放大器有著更高的功耗和面積^[1-2]。共源共柵運 放增益較高、結構簡單、計算方便，是常用的差分放 大器。共源共柵運放有套筒式和折疊式兩種，折疊式 共源共柵結構共模輸入范圍較高^[3-4]，但是多了輸入對 支路，有更多的電流消耗，電流利用效率較低。套筒式 共源共柵輸入共模范圍較低，但是省了額外的輸入對支 路，相比于折疊式共源共柵有更高的電流效率。

1  單端放大器與傳統套筒式共源共柵結構分析 

1.1 單端放大器 

單端放大器以電阻負載的共源極為例，如圖1（a），M1為輸入管，電阻R_D為負載電阻，C_L為負載 電容，共源放大器工作原理簡單，可以直接寫出它的增 益和增益帶寬積。

直流增益為：

增益帶寬積為：

由此可見，共源放大器所消耗的電流對放大器的增 益帶寬積都有貢獻，可以認為放大器所消耗的1倍的電 流貢獻了1倍的帶寬。 

1.2 傳統套筒式共源共柵結構 

傳統套筒式共源共柵結構如圖1（b）所示，M7、 M8為NMOS差分輸入對，M3、M5和M4、M6為共源共 柵負載。其中左右輸入對管和負載管尺寸個數完全相同，為對稱式結構，其跨導為g_m7,8，增益為：

套筒式共源共柵結構是常見的運放結構，這里直接 分析穩態時小信號壓差加在輸入對兩端時的小信號工作 狀態。當套筒式共源共柵結構兩輸入端有小信號電壓VX 變化時，假設Q點電壓不變， 電路工作點不發生變化，初 始柵上電壓為V₀。假設其中 反相端小信號電壓升高，同 相端小信號電壓降低，那么 M7中的小信號電流向上，M8 中的小信號電流向下。但此 時Q點電壓不變，因此，根據 基爾霍夫電流定律^[5]，我們有 小信號電流Im7+Im8=0，即

因為M7、M8尺寸完全相同，g_m7=g_m8，因而

即

這和Q點電壓不變是一致的。同樣M6的小信號電流 變化也是I_m1，又以電流鏡的方式復制給M5，則輸出端 的小信號電流大小為：

則，差分對的直流增益為：

與之前式子相等。 

增益帶寬積為：

套筒式共源共柵放大器結構簡單，有很好的對稱 性，可以直接寫出放大器的增益，但是流過差分對的2 倍電流只貢獻了1倍的輸入級跨導與帶寬，另1個對跨導 與帶寬不做貢獻的輸入管M8與負載M4、M6起到反饋與復制電流的作用，與單端放大器相比，流過決定輸入跨 導的MOS管的電流為尾電流I_D2的一半，電流利用效率 只有單端放大器的1/2，浪費了電流與芯片面積，電流 與版圖利用效率一般。

2  非對稱套筒式共源共柵結構

為了提高電流利用效率，同時降低MOS管的尺寸， 提出了非對稱套筒式共源共柵結構。該結構原理圖如圖 1（c）所示。 

傳統套筒式共源共柵結構對稱性好，兩側MOS管的 尺寸相同。本設計采用非對稱式套筒式共源共柵結構， 兩側MOS的尺寸為10:1，即差分輸入對和負載的寬長比 的比值滿足以下關系：

如果我們假設M15管和M14管的直流電位相等，I_D9 為尾電流源電流，則

因此

假設運放兩端的差分輸入小信號為V_X，Q點電壓不變，電路工作點不發生變化，初始柵上電壓為V₀，輸出 小信號電壓為V_Y。根據基爾霍夫電流定律，我們有小信 號電流I_m15+I_m14=0，即：

因為M15的尺寸是M14的10倍，g_m15=10g_m14， 因而：

即：

M15、M14兩端的小信號電壓分別為V_X/11、10 V_X/11，M14管產生的小信號電流為（10/11）*V_Xgm14， 10倍電流鏡復制的小信號電流為（10/11）*V_Xgm14*10， M15管的小信號電流為（1/11）*V_Xgm15，則運放的直流 增益為：

增益帶寬積為：

本次設計采用非對稱套筒式，其反相端與負載的尺 寸是同相端與負載尺寸的10倍。流過決定輸入跨導的輸 入管M15的電流為10 I_D9/11，電流利用效率為10/11接近 單端放大器，高于傳統套筒式的1/2。 

可以看出套筒式共源共柵的增益取決于輸出一側輸 入管的尺寸和電流，同時輸入跨導也取決于輸出一側的 輸入管。

3  仿真結果 

采用0.5 μm的BCD工藝，設計了非對稱套筒式共源 共柵放大器。基于Cadence Spectre仿真器對傳統套筒式 共源共柵和非對稱套筒式共源共柵進行STB仿真^[6]，負 載電容設置為50 nF，頻率響應的幅頻特性曲線如圖2所 示。可以明顯地看出傳統套筒式共源共柵結構和非對稱 套筒式共源共柵結構幅頻特性曲線的區別。傳統套筒式 共源共柵結構的幅頻特性為曲線①，其單位增益帶寬約 為5.1 kHz，采用非對稱式套筒式共源共柵結構的幅頻特性為曲線②，其單位增益帶寬約為50.9 kHz。仿真結 果與計算相符，非對稱套筒式共源共柵放大器的帶寬是 傳統套筒式共源共柵放大器的10倍。運算放大器的輸入 跨導取決于輸出端支路，驗證了上面的計算。

4  結論 

本文分析了傳統套筒式共源共柵結構的小信號工作原 理及其電流效率較低的問題，提出了非對稱套筒式共源共 柵結構，計算并驗證運放的跨導與帶寬取決于輸出一側的 輸入管的尺寸和漏電流。該結構充分地利用了差分對的尾 電流，與同等帶寬的傳統共源共柵放大器相比，非對稱式 結構中對跨導和帶寬沒有貢獻的放大器可以采用較小的尺 寸和電流，有著更低的電流消耗和更小的版圖面積。本文 采用0.5 μm的BCD工藝設計了一款非對稱套筒式共源共柵 放大器，并與傳統套筒式共源共柵放大器做對比。通過計 算與仿真驗證可以得出，非對稱套筒式共源共柵結構具有 更高的電流利用效率，更低的電流消耗以及更小的版圖面 積，可廣泛應用于放大器電路中。

參考文獻： 

[1] 畢查德+拉扎維(RAZAVI B). 模擬CMOS集成電路設計[M].西 安:西安交通大學出版社, 2003. 

[2] SANSEN W M C. Analog design essentials[M]. Springer, 2006. 

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[5] 邱關源.電路.第5版[M]. 北京:高等教育出版社, 2006. 

[6] 何樂年,王憶.模擬集成電路設計與仿真[M].北京: 科學出版社, 2008.

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第47頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。