全差分運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

1、全差分運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)岳生生（200403020126）一、 設(shè)計(jì)指標(biāo)以上華0.6um CMOS 工藝設(shè)計(jì)一個(gè)全差分運(yùn)算放大器，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下： 直流增益 ： 80dB 單位增益帶寬 ： 50MHz 負(fù)載電容 ： 5pF 相位裕量 ： 60度 增益裕量 ： 12dB 差分壓擺率 ： 200V/us 共模電壓 ： 2.5V (VDD=5V) 差分輸入擺幅 ： 4V二、 運(yùn)放結(jié)構(gòu)選擇 運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)重要有三種：（a）簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放，two-stage。如圖2所示；（b）折疊共源共柵，folded-cascode。如圖3所示；（c）共源共柵，telescopic。如圖1的前級(jí)所示。本次設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器的

2、設(shè)計(jì)指標(biāo)要求差分輸出幅度為4V，即輸出端的所有NMOS管的之和小于0.5V，輸出端的所有PMOS管的之和也必須小于0.5V。對(duì)于單級(jí)的折疊共源共柵和直接共源共柵兩種結(jié)構(gòu)，都比較難達(dá)到該要求，因此我們采用兩級(jí)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。另外，簡(jiǎn)單的兩級(jí)運(yùn)放的直流增益比較小，因此我們采用共源共柵的輸入級(jí)結(jié)構(gòu)?？紤]到折疊共源共柵輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的功耗比較大，故我們選擇直接共源共柵的輸入級(jí)，最后選擇如圖1所示的運(yùn)放結(jié)構(gòu)。兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)必須保證運(yùn)放的穩(wěn)定性，我們用Miller補(bǔ)償或Cascode補(bǔ)償技術(shù)來(lái)進(jìn)行零極點(diǎn)補(bǔ)償。三、 性能指標(biāo)分析1、 差分直流增益 (Adm80db)該運(yùn)算放大器存在兩級(jí)：（1）、Cascod

3、e級(jí)增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12）第一級(jí)增益 第二級(jí)增益整個(gè)運(yùn)算放大器的增益： 2、 差分壓擺率 （200V/us）轉(zhuǎn)換速率（slew rate）是大信號(hào)輸入時(shí)，電流輸出的最大驅(qū)動(dòng)能力。 定義轉(zhuǎn)換速率SR：1）、輸入級(jí)： 單位增益帶寬，可以得到 所以 其中 因此提高兩級(jí)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率的可以盡可能增大管子M1的有效電壓。2）、輸出級(jí)： 該運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率3、 靜態(tài)功耗：該運(yùn)放沒(méi)有功耗指標(biāo)，這里我們以15mW為例簡(jiǎn)單分析。運(yùn)放的靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗確定了整個(gè)電路的靜態(tài)電流最大值：我們將該電流分配到電路的不同地方。例如，100ua給偏置電路，2900ua歸兩級(jí)放大

4、電路。4、 相位裕度 60度，單位增益帶寬40MHz假設(shè)運(yùn)放只有兩個(gè)極點(diǎn)P1、P2。（實(shí)際上，會(huì)有更多的極點(diǎn)，同時(shí)還會(huì)在右半平面或者左半平面的零點(diǎn)）。由于密勒補(bǔ)償電容Cc的存在， P1和P2將會(huì)分開(kāi)很遠(yuǎn)。假設(shè)，這樣在單位增益帶寬頻率處第一極點(diǎn)引入-90度相移，整個(gè)相位裕度是60度。所以第二極點(diǎn)在單位增益帶寬頻率處的相移為-30度。另外，主極點(diǎn)，開(kāi)環(huán)增益為得到高的單位增益帶寬，應(yīng)該使非主極點(diǎn)最大化。5、 共模負(fù)反饋：CMFB 對(duì)于全差分運(yùn)放，為了穩(wěn)定輸出共模電壓，應(yīng)加入共模負(fù)反饋電路。在設(shè)計(jì)輸出平衡的全差分運(yùn)算放大器的時(shí)候，必須考慮到以下幾點(diǎn)： 共模負(fù)反饋的開(kāi)環(huán)直流增益要求足夠大，最好能夠于差分

5、開(kāi)環(huán)直流增益相當(dāng)； 共模負(fù)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； 為了確保共模負(fù)反饋的穩(wěn)定，一般情況下要求進(jìn)行共?；芈费a(bǔ)償； 共模信號(hào)監(jiān)測(cè)器要求具有很好的線(xiàn)性特性； 共模負(fù)反饋與差模信號(hào)無(wú)關(guān)，即使差模信號(hào)通路是關(guān)斷的。該運(yùn)算放大采用連續(xù)時(shí)間方式（Continuous-Time Approach）來(lái)實(shí)現(xiàn)共模負(fù)反饋功能。如圖4所示。 該結(jié)構(gòu)共用了共模放大器和差模放大器的輸入級(jí)中電流鏡及輸出負(fù)載。這樣，一方面降低了功耗；另一方面保證共模放大器與差模放大器在交流特性上保持一致。因?yàn)楣材７糯笃鞯妮敵黾?jí)與差模放大器的輸出級(jí)可以完全共用，電容補(bǔ)償電路也一樣。只要差模放大器頻率特性是穩(wěn)定的

6、，則共模負(fù)反饋也是穩(wěn)定的。這種共模負(fù)反饋電路使得全差分運(yùn)算放大器可以像單端輸出的運(yùn)算放大器一樣設(shè)計(jì)，而不用考慮共模負(fù)反饋電路對(duì)全差分放大器的影響。6、 電壓偏置電路：寬擺幅電流源（如圖5所示） 在共源共柵輸入級(jí)中需要三個(gè)電壓偏置，為了使得輸入級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍大一些，圖中的寬擺幅電流源來(lái)產(chǎn)生所需要的三個(gè)偏置電壓。根據(jù)寬擺幅電流源的設(shè)計(jì)要求，必須滿(mǎn)足：7、 Miller補(bǔ)償電阻電阻Rc可以單獨(dú)用來(lái)控制零點(diǎn)的位置，主要有以下幾種方法：I、 將零點(diǎn)搬移到無(wú)窮遠(yuǎn)處，消除零點(diǎn)，Rc必須等于。II、 把零點(diǎn)從右半平面移動(dòng)到左半平面，并且落在第二極點(diǎn)上。這樣，輸出負(fù)載電容引起的極點(diǎn)就去除了。這樣做必須滿(mǎn)足以下條件

7、： 得到電阻值為III、 把零點(diǎn)從右半平面移動(dòng)到左半平面，并且使其稍微大于單位增益帶寬頻率。比如超過(guò)20 因?yàn)?得到電阻值為四、 手工計(jì)算在0.6um工藝庫(kù)文件中得到工藝參數(shù)：1、 確定Miller補(bǔ)償電容為了保證相位裕量有60度，我們要求第二極點(diǎn)和零點(diǎn)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：則，.這里，我們?nèi)c2PF。2、 確定兩級(jí)放大器中的工作電流共模負(fù)反饋的輸入端電流與差模輸入端相同，因此輸入級(jí)的工作電流由于有一些寄生電容，預(yù)留一些余量，我們?nèi)?，則。輸出級(jí)工作電流為，。同樣，由于一些寄生電容，預(yù)留一些余量取。3、 計(jì)算放大管的跨導(dǎo)根據(jù)全差分Slew Rate要求，M1管的有效電壓，M2管的跨導(dǎo) 根據(jù)第二極點(diǎn)

8、是單位增益帶寬的兩倍，M9管的跨導(dǎo) 。取，M9管的有效電壓4、 電流源偏置管和Cascode管的尺寸假定電流源偏置管M13、M11、M12、M7和M8，和Cascode管M3-M6的有效電壓Veff0.3V，這樣可以計(jì)算出所有管子的尺寸參數(shù)。 假定，則 M11-M12管子的有效電壓， 假定，則 假定，則 假定，則 Cascode管M3的跨導(dǎo)為，5、 Miller補(bǔ)償電阻Rc的確定我們將零點(diǎn)從右半平面移到左半平面，并且使其為單位增益帶寬頻率的1.2倍，則6、 偏置電路的管子尺寸根據(jù)所有MOS的有效電壓，我們可以計(jì)算出配置電壓Vb1Vb4的值。偏置電流Ibias=25uA,計(jì)算可以得到MB1-MB

9、12管的尺寸為，7、 共模負(fù)反饋的管子尺寸共模反饋放大器輸入級(jí)與差模放大器輸入級(jí)相匹配，直流工作電流相同。為了提高增益也采用Cascode結(jié)構(gòu)，因此管子尺寸為，8、 開(kāi)環(huán)增益的確定假設(shè)NMOS管與PMOS管的相等，得到五、 HSPICE仿真1、 配置電路的DC工作點(diǎn)分析。部分網(wǎng)表：VDD VDD 0 DC 5X1 VDD 0 vb1 vb2 vb3 SOURCE_B.SUBCKT SOURCE_B 9 0 vb1 vb2 vb3MB1 1 1 0 0 CMOSN L=2U W=10UMB2 2 1 0 0 CMOSN L=2U W=10UMB3 vb2 1 0 0 CMOSN L=2U W=1

10、0UMB4 2 2 9 9 CMOSP L=1U W=2.5UMB5 vb1 2 4 4 CMOSP L=1U W=10UMB6 6 2 5 5 CMOSP L=1U W=10UMB7 4 vb1 9 9 CMOSP L=1U W=10UMB8 5 vb1 9 9 CMOSP L=1U W=10UMB9 vb2 vb2 vb1 vb1 CMOSP L=1U W=10UMB10 6 vb3 7 0 CMOSN L=2U W=10UMB11 7 6 0 0 CMOSN L=2U W=10UMB12 vb3 vb3 0 0 CMOSN L=2U W=2.5UMB13 vb3 2 8 8 CMOSP

11、L=1U W=10UMB14 8 vb1 9 9 CMOSP L=1U W=10UIbias 9 1 dc 25u.ENDS 觀察其.lis如下：觀察到mb11管子處于Linear區(qū)。要使mb11處于飽和區(qū)有三種方法：I、根據(jù)：在電流不變的情況下，增大比，從而減小使管子進(jìn)入飽和區(qū)。但這樣破壞了寬擺幅的條件，因此得不到寬擺幅輸出。 II、其它不變，減小，從而減小使管子進(jìn)入飽和區(qū)。 III、上面兩種方法都是減小使管子進(jìn)入飽和區(qū)的，同樣我們可以用增大的方法來(lái)使管子進(jìn)入飽和區(qū)。減小比，在流過(guò)mb12管子的電流不變的情況下，增大了,從而提高了mb10管子的柵極電壓。因?yàn)榱鬟^(guò)mb10管子的電流不變，其寬長(zhǎng)

12、比也沒(méi)變，所以不變，從而增大了使管子進(jìn)入飽和區(qū)。本次設(shè)計(jì)采用減小比的方法。取。 修改后仿真結(jié)果如下所示：2、 放大器DC工作點(diǎn)與AC特性分析根據(jù)手工計(jì)算的結(jié)果，編寫(xiě)輸入網(wǎng)表，在輸入端為2.5V共模電壓的情況下，進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析，對(duì)某些管子進(jìn)行修改和調(diào)整。手工計(jì)算和HSPICE仿真的管子尺寸及相關(guān)參數(shù)如下表1所示。表1 、管子尺寸、工作電流和有效電壓MOS管W/L（計(jì)算值）IdsVeffW/L（仿真）IdsVeffM1、M2、M786u/2u269uA0.624V100u/3u245 uA0.629VM3、M4129u/1u404 uA0.372V200u/1u368 uA0.285VM5、

13、M660u/1u404 uA0.304V60u/1u368 uA0.290VM7、M860u/1u403 uA0.325V60u/1u368 uA0.301VM9、M10100u/1u1.4mA0.456V100u/1u927 uA0.355VM11、M12390u/1u1.4mA0.400V260u/1u927 uA0.399VM13、M14174u/1u538uA0.389V51u/3u490 uA0.388VM15、M1643u/2u135uA0.627 V51u/3u123 uA0.626VM1886u/1u267 uA0.370 V133u/1u244 uA0.284VM1940u/

14、1u267 uA0.305V40u/1u244 uA0.290VM2040u/1u267 uA0.324V40u/1u244 uA0.301VMB1、MB2、 MB310u/2u25 uA0.276V10u/2u25 uA0.276VMB42.5u/1u26 uA0.854V2.8u/1u26.4 uA0.790VMB5、MB6、 MB1310u/1u25.8 uA0.363V10u/1u25 uA0.356VMB7、MB8、 MB1410u/1u25.8 uA0.376V10u/1u25 uA0.374VMB910u/1u25.8 uA0.354V1.3u/1u25 uA1.34VMB105

15、u/1u26 uA0.274V5u/1u25.5 uA0.270VMB115u/1u26 uA0.288V5u/1u25.5 uA0.280VMB121.25u/1u26 uA0.684V1u/1u25.45 uA0.785V調(diào)整后，放大器的功耗為14.8mW。I、AC特性圖，如下圖6所示：圖6、AC 特性圖 由圖6可知：直流增益：80dB；單位增益帶寬：74.5MHz；相位裕度：80度； II、階躍特性 放大器擺率如下圖7所示。圖7、壓擺率 由圖7知道，放大器的開(kāi)環(huán)壓擺率為：236.6V/us。3、 以下是最終的收入網(wǎng)表Telescopic opamp.option post=2 numdg

16、t=7 tnom=27.lib E:yss133cmos_emulatecmos_libCSMC_HJ_06UM_CMOS.LIB TTVDD vdd 0 DC 5CL1 Vop 0 5pCL2 Von 0 5pV1 Vcm 0 2.5V2 Vinn 0 dc 2.5 V3 Vinp 0 dc 2.5 ac 1 *pwl (0 0 10n 0 10.1n 5 100n 5 200n 5 200.1n 0 300n 0 ) X1 VDD vb1 vb2 vb3 SOURCE_BX2 vdd vb1 vb2 vb3 Vcm Vinp Vinn Vop Von CASCODE_AMP.SUBCKT

17、SOURCE_B 9 vb1 vb2 vb3MB1 1 1 0 0 CMOSN L=2U W=10UMB2 2 1 0 0 CMOSN L=2U W=10UMB3 vb2 1 0 0 CMOSN L=2U W=10UMB4 2 2 9 9 CMOSP L=1U W=2.8UMB5 vb1 2 4 4 CMOSP L=1U W=10UMB6 6 2 5 5 CMOSP L=1U W=10UMB7 4 vb1 9 9 CMOSP L=1U W=10UMB8 5 vb1 9 9 CMOSP L=1U W=10UMB9 vb2 vb2 vb1 vb1 CMOSP L=1U W=1.3UMB10 6 v

18、b3 7 0 CMOSN L=1U W=5UMB11 7 6 0 0 CMOSN L=1U W=5UMB12 vb3 vb3 0 0 CMOSN L=1U W=1UMB13 vb3 2 8 8 CMOSP L=1U W=10UMB14 8 vb1 9 9 CMOSP L=1U W=10UIbias 9 1 dc 25u.ENDS SOURCE_B.SUBCKT CASCODE_AMP 1 vb1 vb2 vb3 Vcm Vinp Vinn Vop VonM1 3 Vinp 2 2 CMOSP L=3U W=100UM2 4 Vinn 2 2 CMOSP L=3U W=100UM3 5 vb2

19、3 3 CMOSP L=1U W=200UM4 6 vb2 4 4 CMOSP L=1U W=200UM5 5 vb3 7 0 CMOSN L=1U W=60U M6 6 vb3 8 0 CMOSN L=1U W=60UM7 7 vcmfb 0 0 CMOSN L=1U W=60UM8 8 vcmfb 0 0 CMOSN L=1U W=60UM9 Vop 5 0 0 CMOSN L=1U W=100UM10 Von 6 0 0 CMOSN L=1U W=100UM11 Vop vb1 1 1 CMOSP L=1U W=260UM12 Von vb1 1 1 CMOSP L=1U W=260UM

20、13 2 vb1 1 1 CMOSP L=1U W=160UM14 10 vb1 1 1 CMOSP L=1U W=160UM15 3 Vcm 10 10 CMOSP L=3U W=51UM16 4 Vcm 10 10 CMOSP L=3U W=51UM17 11 9 10 10 CMOSP L=3U W=100UM18 vcmfb vb2 11 11 CMOSP L=1U W=133UM19 vcmfb vb3 13 0 CMOSN L=1U W=40U M20 13 vcmfb 0 0 CMOSN L=1U W=40U C1 Vop 14 1pC2 Von 15 1pC3 Vop 9 1p

21、C4 Von 9 1pR1 14 5 2.8kR2 15 6 2.8kR3 9 Vop 40kR4 9 Von 40k.ENDS CASCODE_AMP .OP.ac dec 100 100 1g .print ac vdb(Vop) vp(Vop)*.tran 1n 300n*.print tran v(vop).end4、 電路仿真調(diào)整時(shí)，一些問(wèn)題的解決。I、 在整個(gè)調(diào)試中，我發(fā)現(xiàn)telescopic式放大器的偏置電壓很關(guān)鍵，但是發(fā)現(xiàn)Vb2手算電壓為2.1v，設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)，得到的結(jié)果也和2.1v很接近。但放大器上的Vb2電壓卻應(yīng)該比2.1v小都多才有宜提高直流增益和單位增益帶寬，最后調(diào)整MB9為W/L=1.3u/1u使Vb2下降到1.235v。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的比較分析得到，對(duì)于第一級(jí)