全差分兩級放大電路

1、tJ種線北學 UfllvanityofElactrtilcScltncianiTechntlif/afChina 綜合課程設(shè)計研究報告 課題名稱：全差分兩級運放 研究人員： 指導教師：王向展寧寧 201年1月1日 微電子與固體電子學院 一、緒論1 （一）研究工作的背景與意義1 （二）國內(nèi)外現(xiàn)狀分析1 二、研究目標、研究內(nèi)容與技術(shù)指標1 （一）研究目標2 （二）研究內(nèi)容2 （三）關(guān)鍵技術(shù)2 （四）技術(shù)指標3 三、電路工作原理3 （一）電路結(jié)構(gòu)理論4 （二）關(guān)鍵電路模塊4 （三）非理想效應5 四、電路設(shè)計與仿真6 （一）電路設(shè)計方案6 （二）電路設(shè)計結(jié)構(gòu)9 （三）電路仿真及結(jié)果10 五、全文總結(jié)與

2、展望12 參考文獻13一、緒論 （一）研究工作的背景與意義 隨著模擬集成電路技術(shù)的發(fā)展，高速、高精度運算放大器得到廣泛應用。全差分運算放大器在輸入動態(tài)范圍、抑制共模信號和噪聲的能力等方面，較單端輸出運放有很大優(yōu)勢，成為應用很廣的電路單元。另外，全差分輸出時的輸出電壓信號幅度比單端輸出時增大一倍，這對低電源電壓供電的現(xiàn)代CMO跑路尤為重要，因為這可以擴大輸出信號的動態(tài)范圍。因此，本文討論并設(shè)計了滿足一定要求的全差分運算放大器。 （二）國內(nèi)外現(xiàn)狀分析 從第一顆運算放大器IC問世到現(xiàn)在，運算放大器技術(shù)已經(jīng)在半導體制造工藝和電路設(shè)計兩方面取得了巨大進展。在大約40年的發(fā)展過程中，IC制造商們利用上述先

3、進技術(shù)設(shè)計出了近乎“完美”的放大器。雖然什么是理想放大器很難有一個精確定義，但它卻為模擬設(shè)計工程師提供了一個目標。理想放大器應該無噪聲、具有無窮大增益、無窮大輸入阻抗、零偏置電流以及零失調(diào)電壓，它還應該不受封裝尺寸限制，不占用空間。上述這些，都是許多教科書為了得到簡單的傳遞函數(shù)而做出的種種假設(shè)。 未來放大器市場增長的驅(qū)動力主要有三方面：其一，便攜式應用的低功耗要求將推 動具有低操作電源電壓/電流的放大器增長；其二，高分辨率應用需要能降低噪聲和失真度的放大器；其三，由于性能和價格壓力持續(xù)上揚，因此能夠集成其他功能的放大器前景樂觀。測試和測量、通信、醫(yī)療影像等領(lǐng)域的先進應用是提升放大器性能的主要驅(qū)

4、動力;DSL和消費類視頻應用是最大的市場，而且未來將繼續(xù)此趨勢。其中，DSL運放的增長點主要在于線路驅(qū)動器。而整合了濾波、多路技術(shù)以及DC恢復等功能的消費類 視頻放大器也被看好。從應用的角度講，不同的系統(tǒng)對運放有不同要求，選擇合適的運放對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。對于通信、高速測量儀表及超聲波設(shè)備等高速應用，交流特 性極為重要。但對于低速的高精度系統(tǒng)，直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統(tǒng)在交流特性方面的參數(shù)有信號帶寬、失真率、噪聲等；而衡量系統(tǒng)在直流特性方面的參數(shù)有輸入補償電壓、開環(huán)增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。 二、研究目標、研究內(nèi)容與技術(shù)指標 （一）研究目標 1 .兩級全差分放大電路 輸入

5、、輸出均為差分信號。比起單端輸出的運放，全差分運放能提供更大的輸出電壓擺幅，并能更好地抑制共模噪聲的干擾。 （二）研究內(nèi)容 論文首先對典型的兩級全差分運算放大器進行分析，通常運算放大器由差分輸入級、高增益放大級、相位補償電路、偏置電路等各個部分組成。這些部分在電路工作的時候都起到了不同的功能。后文將會介紹全差分運算放大器各功能模塊的作用。 2 .與單端輸出相比FD運放的問題 全差分運放需要共模反饋電路（CMFB來穩(wěn)定輸出共模電壓。 3 .FD運放組成 FD運放一般由差分輸入級、放大級和CMFB&成。 （三）關(guān)鍵技術(shù) 為了穩(wěn)定輸出共模電壓，應加入共模負反饋電路。在設(shè)計輸出平衡的全差分運算

6、放大器的時候，必須考慮到以下幾點： (1)共模負反饋的開環(huán)直流增益要求足夠大，最好能夠于差分開環(huán)直流增益相當; (2)共模負反饋的單位增益帶寬也要求足夠大，最好接近差分單位增益帶寬； (3)為了確保共模負反饋的穩(wěn)定，一般情況下要求進行共?；芈费a償； (4)共模信號監(jiān)測器要求具有很好的線性特性； (5)共模負反饋與差模信號無關(guān)，即使差模信號通路是關(guān)斷的。 (四)技術(shù)指標 VDD=3.3世10%CL=3.0pF 增益Gain70dB 帶寬GBW230MHz 相位裕度PM45 差分輸出才i幅2.2V 壓擺率200V/ss VDD VB2 VB1 M2 1.CMFB共模反饋電路 ISS 三、電路工作原

7、理 輸入級采用差動放大器，可以提高運放的共模抑制比，從而改善運放的抗噪聲能力和失調(diào)性能。高增益放大級要求提供足夠高的電壓增益和大的輸出電壓擺幅。差動輸出具有更好的抑制共模信號和噪聲的能力，同時使輸出電壓信號幅度增加了一倍。偏置電路給各級放大器提供合適的偏置電壓或偏置電流，要求這些偏置電壓或偏置電流盡可能不隨電源電壓、工藝參數(shù)和溫度而變化。為了保證運放在負反饋狀態(tài)下能夠穩(wěn)定工作，需要加入相位補償電路(通常加在高增益放大級)。但在實際運放的結(jié)構(gòu)劃分可能并沒有那么明確。因此，我們最終還是要的運放的整體性能。 （一）電路結(jié)構(gòu)理論 典型的全差分運算放大器可以由以下四個部分組成: 圖1.典型全差分運放電路

8、結(jié)構(gòu)圖 （二）關(guān)鍵電路模塊 1.套筒式兩級全差分運放結(jié)構(gòu) VDD ISS 三三 VB11. gM1 3JI M 2.偏置電路 圖3 （三）非理想效應 1 .靜態(tài)功耗 運算放大器的靜態(tài)功耗為P=VdjI。其中I為靜態(tài)電流。如果靜態(tài)功耗確定下來了，那么就可以確定整個電路的工作電流。因為設(shè)計要求要使靜態(tài)功耗盡可能地小,又因為Vdd=1.8V已經(jīng)確定。因此，要使靜態(tài)功耗盡可能地小，可以采取源極反偏法、雙閾值法、多閾值法或變閾值法。 2 .等效輸入?yún)⒖荚肼?我們知道每一個MOSB有一個可以等效到柵端的輸入?yún)⒖荚肼暎鐖D所示。 一CHL 圖2.MOST的噪聲來源和等效輸入?yún)⒖荚肼?有由于溝道電阻產(chǎn)生的熱噪

9、聲在輸入端的表現(xiàn)，以及MOS管的閃爍噪聲。即 輸入端，因此會比較小，所以可以忽略不計。因此，整個電路的輸入端噪聲主要來自 于第一級。 四、電路設(shè)計與仿真 （一）電路設(shè)計方案 圖3,兩級全差分運放電路設(shè)計圖電.Ry,/ 由于第二級的噪聲要除以第一級的增益才反映到 MosUESTC W/L Multiplier L M1,M2 2/1 43 0.5um M3,M4 2/1 42 0.5um M5,M6 2/1 50 0.5um M7,M8 2/1 32 0.5um M9,M12 2/1 87 0.4um M10,M11 2/1 44 0.5um M0 2/1 27 0.5um Mc1,Mc2,Mc

10、3,Mc4 2/1 20 0.5um Mc5,Mc6 2/1 10 0.5um Mc7 2/1 25 0.5um M13 1/1 1 0.5um M15,M18 2/1 4 0.5um M14 2/1 10 0.5um M16 8/5 1 0.5um M17 1/1 1 0.5um M19 2/1 3 0.5um M20 2/1 20 0.5um M21 1/1 1 0.5um Cc 0.9pF Rz 1kQ 表1元件參數(shù)（二）電路設(shè)計結(jié)構(gòu) 1 .幅頻相頻測試電路 2 .轉(zhuǎn)換速率SR測試電路 3 .輸出擺幅測試電路 （三）電路仿真及結(jié)果 1.幅頻相頻測試結(jié)果 +phasiDegUnwrappe

11、d|VFI/HillJ/VFf/ntc15)鼻dS2l3VF7nel)/VFC7ner15) ACRtsp-onst ( 4y , , 11 1111 11 11-i1111 1-|tq u 10-3Q-2IQ-110 101IO210zIQ.IO510SWIOSIO6 I10.52kHzI_30.99dEFg(Hi)除E，MHz|51,5?dB 由仿真結(jié)果可以看出， 增益有103dB,單位增益帶寬有244MHz,相位裕度46均達到設(shè)計指標。 2.轉(zhuǎn)換速率SR測試結(jié)果 可以得出，SR=275V/uSo 3.輸出擺幅測試結(jié)果 從仿真結(jié)果看，輸出范圍在0.36V到2.99V是線性范圍，所以輸出擺幅

12、為2.63V 差分輸出擺幅為土2.63V。 最后總的實際電路結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果指標如表2所示。 設(shè)計指標 實際指標 VDD 3.3V 10% 3.3V 10% 增益Gain 70dB 103dB WGBW 230MHz 244MHz 相位裕度PM 45 460 差分輸出擺幅 土2.2V 2.63V 壓擺率 200V/ss 275V/us CL 3.0pF 3.0pF 表2 五、全文總結(jié)與展望 1 .可以看出來兩級全差動運算放大器比普通的兩級運算放大器的電壓增益高許多，這也是使用較為廣泛的原因之一。 2 .降低靜態(tài)功耗上還是出現(xiàn)了一些問題可以再做優(yōu)化，輸出級參數(shù)設(shè)置還可以再優(yōu)化。 3 .我們認為， 放

13、大器當今最需要做到的就是改進生產(chǎn)工藝以降低它的噪聲與功耗， 提高集成度，減小體積，減少成本，滿足現(xiàn)在的電子產(chǎn)品對高速、高精度、低功耗、量產(chǎn)化的要求。 4 .分工： 參考文獻 1譚博學，苗匯靜集成電路原理及應用，電子工業(yè)出版，2008-1,44-95 2葛康康，高速運算放大器的設(shè)計浙江大學,2008-4 3劉志惠，徐晉，楊謨?nèi)A，李克春，一種全差分高速運算放大器的設(shè)計，四川省電子學 會半導體與集成技術(shù)專委會學術(shù)年會，2008-2 4甘學溫、趙寶瑛，集成電路原理與設(shè)計，北京大學出版，2006-2全文統(tǒng)一格式要求： 1 .頁面設(shè)置：全篇A4幅面，上、下頁邊距3.0cm,左、右頁邊距2.6cm,裝訂線0

14、cm,頁眉1.5cm,頁腳2.0cm;頁碼居中，首頁不顯示頁碼。 2 .正文格式： 所有行間距為固定值25磅，對齊網(wǎng)格，首行縮進2字符。 一級標題黑體三號字；二級標題楷體三號字，加粗；三級及四級標題均為仿宋GB2312四號字，加粗；正文為宋體小四號字。 標題編號次序為：二（二）一22.12.1.1-（1） 3 .頁碼： 目錄為IH， 正文為12， 居中對齊， 字體為TimesNewRoman五號字。 4 .圖、表編號形成為：二級標題-序號，如圖3-3、表2-2等。圖題位置在圖的下方，宋體五號字；表頭位置在表格上方，宋體五號字。圖中、表中字號為五號或小五。 5 .表格：外框?qū)挾葹?1/2磅；表內(nèi)

15、文字單倍行距。 6 .公式：長、復雜公式用MathType輸入，單獨一行，編號右對齊，編號形成為：二級標題-序號，如（3-3）;簡單公式用正文字體表示，如Vgs=3V。 7 .成文后封面、目錄頁和標識頁單面打印，其余雙面打印。 8 .其他要求見標示。 9 .正式成文后，刪除所有紅色標注和說明。 10 .論文最后一頁增加參考文獻。參考文獻單獨成頁。參考文獻體現(xiàn)的是對知識產(chǎn)權(quán)和同行研究成果的尊重，格式上不同期刊、雜志、論文等要求不同。報告要求以碩士/博士論文參考文獻要求為參照。 錯誤示例: 錯誤示例一: 5.35比解果 A.圖8黑色背景不符合文印規(guī)范，應至少反色處理。止匕外，圖中電路結(jié)構(gòu)、文字信息應讓讀者能夠看清。 B.圖8僅有編號無圖題（即名稱） C.圖9坐標不清，無關(guān)鍵點的標注。 D.圖8、圖9均未有正文的引用、說明以及詳細分析、解釋。 錯誤示例二: A,全文都是參考資料的大段拷貝，應自己整理思路重新敘述。如可結(jié)合圖形進行更形象地描述。報告任何部分禁止抄襲。 B.該文字原為電路工作原理部分，內(nèi)容上要緊密貼近設(shè)計研究題目。如復雜的電路結(jié)構(gòu)的分析，難懂的一些指標定義、推導，影響電路性能的具體分析等。錯誤示例三: 4CXKi:三冒上謂的劣倍電流讀輸二級電路圖 用H號號要靠在整個扎便更