增益增強共源共柵放大器的設計

本文設計了一種采用增益增強結構的帶開關電容共模反饋的折疊式共源共柵跨導運算放大器，可用于流水線結構的A/D中。出于對性能及版圖因素的考慮，采用了單端放大器作為增益提高輔助放大器。并通過改進共模負反饋電路，使得放大器輸出共模反饋電壓穩定更快，抖動更小。本設計在Cadence環境下對運放的電路和版圖進行了仿真。結果表明，放大器的各項性能參數達到了理想的效果。

　　1 電路結構的分析與設計

　　CMOS跨導運算放大器常用結構有兩級放大結構、套筒結構和折疊共源共柵結構等形式。兩級放大結構的運放電路結構雖然具有高增益、高擺幅等優點，但由于每一級至少引入一個極點，為了保障整個放大器的相頻特性滿足要求，需要額外的頻率補償電路，從而提升了放大器的電流和功耗，限制了放大器帶寬，同時降低了放大器速度，因此不能滿足本設計中對于運放帶寬和速度的要求。套筒式結構雖然具有較高的增益、較好頻率特性及較低功耗，但是受到結構限制，其輸出擺幅和共模輸入范圍小，不滿足設計要求。折疊式共源共柵結構針對套筒結構輸出擺幅小的缺點進行改進，通過增加電路支數，提高功耗，在提供較高的增益前提下，又滿足了大帶寬、高擺幅和高速的要求。通過對折疊共源共柵結構應用增益增強技術，可以在不影響信號帶寬、壓擺率和相位特性的情況下進一步提高電路直流增益。因此，針對本設計的特殊要求，選取了應用增益增強技術的折疊式共源共柵結構。

　　1.1 主運放電路

　　本文設計的折疊共源共柵運算放大器如圖1所示。M0，M1為差分輸入對管;M2為差分對管恒流源;M4，M5為電流源;M6，M7為共柵管;M8，M10，M58，M59為共源共柵電流源負載。由于NMOS管的載流子遷移率更高，采用NMOS管作差分輸入級可提高運放增益和帶寬。

　　當無增益提高輔助運放時，主運放的小信號電壓增益為：

　　可見，與基本的恒流源負載放大電路相比，輸出節點的輸出電阻增大gmRout倍，所以共源共柵結構的運算放大器能夠提供高增益。

1.2 開關電容共模負反饋電路

　　由于折疊共源共柵放大器需要極其精準的偏置電壓才能使電路輸出共模穩定在一個固定值，因此必須引入一個共模負反饋電路，來使整個電路的輸出共模穩定在要求的輸出電壓共模上。常用的共模負反饋電路分為連續時間型共模負反饋和開關電容共模負反饋兩種。由于開關電容共模負反饋即無靜