摘 要： 設(shè)計了一種適用于流水線A/ D 轉(zhuǎn)換器的全差分跨導放大器， 通過采用單端放大器的增益增強方法， 使運算放大器即具有較高的直流增益， 又有較小的面積及較好的版圖匹配性。通過對普通開關(guān)定容共模負反饋電路的改進， 改善了建立時間減小了放大器輸出共模的抖動。電路采用SMIC 0. 18 m CMOS 工藝， 并在Cadence 下對電路及版圖進行了仿真， 結(jié)果表明： 小信號低頻電壓增益119. 3 dB ; 單位增益帶寬378. 1 MH z; 相位裕度60°。

　　隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展， 高性能的運算放大器廣泛應(yīng)用于各種電路系統(tǒng)中， 它成為模擬和混合信號集成電路設(shè)計的單元電路， 其性能直接影響電路系統(tǒng)的整體性能。作為現(xiàn)代模擬集成電路的一個重要部分， A/ D 轉(zhuǎn)換器隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。隨著數(shù)字無線電等理論的提出， 高速高模數(shù)轉(zhuǎn)換器成為人們研究的目標， 而這也為運算放大器提出了更高的要求。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越限制放大器指標的時候，Bult . K. 提出的增益增強結(jié)構(gòu)能夠在不影響帶寬的前提下有效地提高運放的開環(huán)增益， 使得設(shè)計高性能放大器變的更加容易。

　　本文設(shè)計了一種采用增益增強結(jié)構(gòu)的帶開關(guān)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(jié)構(gòu)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(wěn)定更快， 抖動更小。本設(shè)計在Cadence 環(huán)境下對運放的電路和版圖進行了仿真。結(jié)果表明， 放大器的各項性能參數(shù)達到了理想的效果。

　　1  電路結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計

　　CMOS 跨導運算放大器常用結(jié)構(gòu)有兩級放大結(jié)構(gòu)、套筒結(jié)構(gòu)和折疊共源共柵結(jié)構(gòu)等形式。兩級放大結(jié)構(gòu)的運放電路結(jié)構(gòu)雖然具有高增益、高擺幅等優(yōu)點， 但由于每至少引入一個極點， 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(shè)計中對于運放帶寬和速度的要求。套筒式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)限制， 其輸出擺幅和共模輸入范圍小， 不滿足設(shè)計要求。折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)針對套筒結(jié)構(gòu)輸出擺幅小的缺點進行改進， 通過增加電路支數(shù)， 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(jié)構(gòu)應(yīng)用增益增強技術(shù)， 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(shè)計的特殊要求， 選取了應(yīng)用增益增強技術(shù)的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu) 。

　　1. 1  主運放電路

　　本文設(shè)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。

圖1  主放大器電路結(jié)構(gòu)

　　當無增益提高輔助運放時， 主運放的小信號電壓增益為：

　　其中：

　　假定所有的跨導和輸出電阻都相等， 則增益可表示為：

　　可見， 與基本的恒流源負載放大電路相比， 輸出節(jié)點的輸出電阻增大gm Rout 倍， 所以共源共柵結(jié)構(gòu)的運算放大器能夠提供高增益。

　　1. 2  開關(guān)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(wěn)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(wěn)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(xù)時間型共模負反饋和開關(guān)電容共模負反饋兩種。

　　由于開關(guān)電容共模負反饋即無靜態(tài)功耗， 又對放大器本身有較小的影響， 因此本設(shè)計中選擇了開關(guān)電容共模負反饋電路來穩(wěn)定輸出共模。圖2 為傳統(tǒng)的開關(guān)電容共模反饋電路， out+ , out- 為差分輸出電壓信號， clock1,clock2 為兩相不交疊時鐘信號， Vcm 為供比較的參考電壓， 等于希望輸出的共模電壓； 為了提供大的輸出擺幅，通常取電源電壓的一半， Vt 為偏置電路產(chǎn)生的偏置電壓， V b1為產(chǎn)生的調(diào)節(jié)電壓， 用于穩(wěn)定輸出共模電壓。

　　由于開關(guān)電容共模負反饋需要不停計算輸出共模和Vcm 之間的差值來控制放大器， 使其輸出共模穩(wěn)定在需要的電壓值上。對于傳統(tǒng)的開關(guān)電容共模負反饋電路， 一個時鐘周期內(nèi)有半個時鐘周期需要C1 , C2 兩個電容用來取Vcm 與V t 的差值， 不能用來和輸出共模作用產(chǎn)生反饋電壓， 因此共模電平建立速度較慢， 因此我們再引入一組采樣電容， 使兩組采樣電容采集Vcm與Vt的差值， 分別在不同的時鐘周期與輸出電壓的共模進行計算。這樣電路減小了共模反饋電壓的建立時間， 減小了由于開關(guān)開啟關(guān)斷而造成的反饋電壓的抖動。改進后的共模負反饋電路如圖3 所示。

圖2  傳統(tǒng)開關(guān)電容共謀負反饋結(jié)構(gòu)

圖3 改進型開關(guān)電容共模負反饋

　　由于開關(guān)定容共模負反饋電路中的電容是直接掛在輸出節(jié)點上的， 過大的電容值會降低放大器的帶寬和壓擺率， 同時， 為了減小動態(tài)開關(guān)動作導致的時鐘饋通效應(yīng)以及其他寄生雜散電容的影響和后端工藝等問題， 該電容值也不能太小。因此本設(shè)計中我們?nèi)∷须娙荽笮?. 5 pF。

　　1. 3  用于增益提高的輔助放大器電路

　　采用增益增強技術(shù)， 能夠有效地提高運算放大器的直流增益， 且不影響其速度?？紤]到版圖布局對稱對于減小放大器失調(diào)的貢獻， 本設(shè)計中引入4 個單端電流鏡共源共柵放大器作為增益提高放大器， 分成兩組分別用于提高從共柵管處的等效電阻和共源共柵電流鏡的等效電阻， 從而極大的提高了直流增益。輔助放大器采用電流輸入， 通過輸入管尺寸與相對應(yīng)共柵器件尺寸的比例決定輔助放大器從主放電路中輸入的電流。對比傳統(tǒng)的差分結(jié)構(gòu)， 單端放大器可以更好的對稱分布在主放大器版圖兩側(cè)， 而由于放大器采用等比于主支路的電流輸入， 相對于電壓輸入的放大器， 消除了由于輸入共模電壓變化產(chǎn)生的影響。輔助放大器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 單端輔助放大器

　　由于輔助放大器輸出擺幅有限， 增益較高， 故選取了采用差分對管取樣的共模負反饋結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)會限制放大器輸出擺幅， 但卻不會影響放大器增益， 并且功耗較低， 因此適合用于輔助放大器中。共模負反饋電路如圖5 所示 。

圖5  輔助放大器共模負反饋

　　1. 4  偏置電路

　　由于整個電路中有許多共源共柵管需要提供偏壓，因此采用了共源共柵寬擺幅電流鏡來對這些管子提供偏置， 寬擺幅共源共柵電流鏡在保證電流復制的同時提高了擺幅， 使得電路在保證輸出擺幅的同時保持正常工作。寬擺幅共源共柵電流鏡電路圖如圖6 所示，其中I 2= I 1。

圖6 寬擺幅共源共柵電流鏡

　　2  電路仿真結(jié)果

　　整個運放及其偏置電路采用SMIC 0. 18 mCMOS 混合信號工藝進行設(shè)計， 并在Cadence 環(huán)境下用Specture 進行模擬仿真， 電源電壓3. 3 V, 負載電容3 pF。對電路進行AC 仿真， 仿真結(jié)果顯示電路直流增益119. 3 dB, 單位增益帶寬378. 1 MHz, 相位裕度60°,如圖7 所示。

圖7  AC 特性曲線

　　放大器建立到輸出電壓0. 1% 時的建立時間為7. 9 ns, 測試波形如圖8 所示。

圖8 建立時間測試波形

　　共模輸入范圍600 mV ~ 3. 3 V; 電壓輸出范圍0. 6~ 3. 1 V; 功耗39 mW。

　　3  版圖設(shè)計

　　整體電路包括1 個主放大器， 2 個gainboost 和1 個共模負反饋， 主放大器和g ainboost 各有自己的偏置電路。gainboost 的偏置電路和gainboost 放大器靠近放置以使連線短， 2 個gainboot 分別放在主放大器兩側(cè)以使總體版圖對稱， 開關(guān)電容共模負反饋放在主放大器下面以使out+ , out- 和Vb1 連線短。主放大器做ABAB匹配， 采用雙側(cè)供電， 以保證差模信號較好匹配， 主放大器偏置分拆在主放大器兩側(cè)， 以使總體版圖形狀更加規(guī)則整齊， 節(jié)省面積?？傮w版圖如圖9 所示。

圖9 放大器總體版圖

　　4  結(jié)語

　　介紹了一種折疊式共源共柵運算放大器的設(shè)計。

　　實際的設(shè)計仿真值為： 小信號低頻電壓增益119. 3 dB;單位增益帶寬378. 1 MHz; 相位裕度60; 建立時間7. 9 ns; 電源電壓3. 3 V; 共模輸入范圍600 mV ~3. 3 V; 電壓輸出范圍0. 6~ 3. 1 V; 負載電容3 pF; 功耗為39 mW。整個設(shè)計滿足設(shè)計指標要求， 并應(yīng)用于欠采樣技術(shù)的12 b, 60 MHz 流水線ADC 設(shè)計中。