0.6μm_CMOS工藝全差分運算放大器的設計畢業(yè)論文.doc

0.6mCMOS工藝全差分運算放大器的設計0引言運算放大器是數(shù)據(jù)采樣電路中的關鍵部分，如流水線模數(shù)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80dB，相位裕度達到80，增益帶寬為74MHz。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(wěn)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?？紤]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。11主運放結構全差分運算放大電路對環(huán)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M0M8)采用套筒式全差分放大器結構作為輸入級。第二級(即M9M11)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(huán)增益。但是，隨著級數(shù)的增加，必然會增加電路的零極點，這對系統(tǒng)穩(wěn)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(wěn)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(tài)直流偏置，這三個偏置電壓均提供有偏置電路。對該運算放大器進行小信號分析，可以計算出第一級套筒式全差分結構的放大倍AV1，公式為：Av1g2(gm424)(gm66s)其中，gm2、gm4、gm6分別表示M2、M4、M6的跨導，r2、r4、r6、r8分別表示M2、M4、M6、M8管的輸出電阻。第二級共源級放大結構的單端放大倍AV2可用下式計算：AV2=-gM10r10其中，gM10、r10分別表示M10管的跨導和輸出電阻。因此，整個米勒補償型運算放大器的開環(huán)增益Av可以用第一級和第二級的放大倍數(shù)之積來表示：Av=Av1Av212共模反饋電路由于本設計采用的是全差分結構，所以，為了通過穩(wěn)定直流來穩(wěn)定輸出共模電壓，保證輸出級工作于線性區(qū)，通常需要一個共模反饋(CMFB)電路。共模反饋電路一般有兩種類型。一種為連續(xù)時間式，另一種為開關電容式。本設計采用的是開關電容式結構，圖2所示是開關電容式共模反饋電路。其中S1S6為開關，C1C4是共模反饋電容，Vout+和Vout-是運放的輸出電壓，1和2是兩相不交疊的時鐘信號。VCM是理想共模輸出電壓，Vb1是理想的共模偏置電壓，Vb2是實際的共模偏置電壓，即運放中電流源的控制電壓。實際中，S1S6的開關都是由NMOS管實現(xiàn)的。13偏置電路偏置電路主要用于提供折疊共源共柵放大器及共模反饋的偏置電壓。本文采用如圖3所示的寬擺幅電流源偏置電路結構。在共源共柵輸入級