高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计

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1、第４２卷第２期微电子学Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２２０１２年４月ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＡｐｒ．２０１２高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计朱治鼎，彭晓宏，吕本强，李晓庆（北京工业大学集成电路与系统集成实验室，北京１００１２４）摘要：折叠式共源共栅结构能够提供足够高的增益，并且能够增大带宽、提高共模抑制比和电源电压抑制比。基于Ｃｈａｒｔｅｒｅｄ０．３５μｍ工艺，设计了一种折叠式共源共栅结构的差分输入运算放大器，给出了整个电路结构。Ｓｐｅｃｔｒｅ仿真结

2、果表明，该电路在３．３Ｖ电源电压下直流开环增益为１２１．５ｄＢ、单位增益带宽为１２ＭＨｚ、相位裕度为６１．４°、共模抑制比为１３０．１ｄＢ、电源电压抑制比为１０５ｄＢ，达到了预期的设计目标。关键词：折叠式共源共栅；运算放大器；模拟集成电路中图分类号：ＴＮ４３１．１文献标识码：Ａ文章编号：１００４－３３６５（２０１２）０２－０１４６－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦｏｌｄｅｄ－ＣａｓｃｏｄｅＯｐｅｒａｔｉｏｎａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒＺＨＵＺｈｉｄｉｎｇ，ＰＥＮＧＸｉａｏｈｏｎｇ，ＬＢｅｎｑｉａｎｇ，ＬＩＸｉａｏｑｉｎｇ（ＶＬＳＩ＆Ｓ

3、ｙｓｔｅｍＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｌｄｅｄ－ｃａｓｃｏｄｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｏｕｌｄｎｏｔｏｎｌｙｓｕｐｐｌｙｈｉｇｈｇａｉｎａｎｄｌａｒｇｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎ－ｃｒｅａｓｅＣＭＲＲａｎｄＰＳＲＲ．ＢａｓｅｄｏｎＣｈａｒｔｅｒｅｄ０．３５μｍｐｒｏｃｅｓｓ，ａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｉｎｐｕｔｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈｆｏｌ－ｄｅｄ－ｃａｓｃｏｄｅｓｔｒｕｃｔ

4、ｕｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｆｏｌｄｅｄ－ｃａｓｃｏｄｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＳｐｅｃｔｒｅａｔ３．３ＶｓｕｐｐｌｙｖｏｌｔａｇｅｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｈａｄａＤＣｏｐｅｎ－ｌｏｏｐｇａｉｎｏｆ１２１．５ｄＢ，ａｕｎｉｔｙｇａｉｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ１２ＭＨｚ，ａｐｈａｓｅｍａｒｇｉｎｏｆ６１．４°，ａＣＭＲＲｏｆ１３０．１ｄＢａｎｄａＰＳＲＲｏｆ１０５ｄＢ．Ｋｅｙｗｏｒｄ

5、ｓ：Ｆｏｌｄｅｄ－ｃａｓｃｏｄｅ；Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡｎａｌｏｇＩＣＥＥＡＣＣ：１２２０现。由于共源共栅结构具有频率特性好、输出电阻１引言高、主极点由负载电容决定、在各种放大器结构中功耗最低等优点，能够在不降低增益带宽积的条件下［２］运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重提高电路的直流增益，从而满足各个方面的需要。要的部件，具有足够高的正向增益，且负反馈时闭环本文从电路性能要求出发，设计了一种两级高增益传输函数与其增益几乎无关，因此被用于很多模拟运算放大器，第一级采用差分输入单端输出的折叠电路和系统的设计中。运算放大器最主要

6、的性能指式共源共栅放大器，以达到高增益，同时提供适当的标是有一个足够大的开环增益，以符合负反馈的概摆幅；第二级采用共源极电路结构，以增大输出摆［１］。［３］念幅，同时提供适当的增益。该电路从理论上满足直观来说，长沟道、低偏置电流、多级运放电路了高增益、高共模抑制比、高电源抑制比等要求。可以实现高增益，但会产生多个极点；高单位增益带Ｓｐｅｃｔｒｅ软件仿真结果显示，直流增益达到１２１．５宽电路又要求短沟道、高偏置电流、单极点电路来实ｄＢ、相位裕度达到６１．４°。收稿日期：２０１１－０６－０３；定稿日期：２０１１－０８－０６基金项目：国家自然科学基金资助项

7、目（６０９７６０２８）；北京工业大学博士启动基金资助项目（Ｘ０００２０１３２０１１０３，Ｘ０００２０１４２０１１０１，Ｘ０００２０１２２００８０２）第２期朱治鼎等：高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计１４７可见，共源共栅结构能够提供较高的增益。２电路结构ＣＭＯＳ运放的差分跨导级构成运放的输入级，并起到从双端差分输入变换到单端输出的作用。通常，整个电路的增益，大部分都是由输入差分级提供的，可改善噪声性能和降低输入失调。第二级一般采用反相器，当差分输入级没有完成差分－单端变换时，就由第二级反相器来完成。偏置电路给晶体管建立适当的静态工作点。另外，采用补偿

8、技术来稳定闭环特性。图１给出运放的整体结构。图２折叠式共源共栅运算放大器电路Ｆｉｇ．２Ｆｏｌｄｅｄ－ｃａｓｃ