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桃花劫颦颦
2014-06-04
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朱治鼎等:高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计
2012

偏置电压。实际应用中,为了满足匹配,偏置电路中
晶体管长度应该与运放中相应晶体管的长度相等。
I
ref
是由外部引入的基准电流。图
4
所示为本文设
计的偏置电路。图中,
M16

M13
构成电流镜,参
考电流
I
ref
通过电流镜把
I
ref
按管子宽长比的比例镜
像到
M13
,从而产生主电路所需要的偏置电压
[5


图4
 偏
置电路
Fig.4 Bias circuit

5
所示为本文运算放大器的整体电路。各个
端口定义为:
V
DD
为工作电压,
GND
为电源地,
V
in1
为反相输入端,
V
in2
为同相输入端,
OUT
为输出端;
电阻
R
m
=2.5kΩ

R
1
=2kΩ

R
2
=47kΩ
;电容
C
m
=1pF

C
1
=5pF

I
ref

10
μ
A
的电流源。在电路
的第一级和第二级输出端之间添加密勒补偿电容和
补偿电阻。由于第一级为共源共栅结构,所以主极
点在第一级的输出节点。采用密勒补偿电容
C
m

主极点向低频移动,将非主极点向高频移动来实现
极点分离。添加补偿电阻
R
m
,将右半平面的零点移
向高频,以减小甚至抵消零点对系统稳定性的影响,
从而改善运算放大器的频率特性
[6

。电路所带负载

5pF
的电容。表
1
列出运算放大器各器件的尺
寸。
图5
 运
算放大器整体电路
Fig.5 Complete circuit of the operational amplifier
表1
 运
算放大器器件参数
Table 1 Device parameters of the operational amplifier
晶体管
尺寸
W

μ
m L

μ
m  M
晶体管
尺寸
W

μ
m L

μ
m  M
M0  12  1  10 M9  11  3  3
M1  10  1  15 M10  11  3  3
M2  10  1  15 M11  4  1  1
M3  11  3  4 M12  11  2  7
M4  11  3  4 M13  9  1  2
M5  11  2  3 M14  2  3  1
M6  11  2  3 M15  4  2  1
M7  18  3  5 M16  10.5  1  1
M8  18  3  5
3 
电路仿真结果及版图实现
采用
Cadence
公司的仿真工具
Spectre
对电路
进行仿真,仿真模型采用
Chartered 0.35
μ
m 3.3V
工艺
BSIM3v3
模 型。仿 真 过 程 中,对
PSRR

CMRR
采用简化仿真,仿真的结果是实际数据的倒

[7

。图
6
所示为增益与相位的仿真结果,增益为
121.5dB
,单位增益带宽约为
12MHz
,相位裕度为
61.4°。
图6
 运
算放大器的增益与相位曲线
Fig.6 Amplitude and phase curves of the proposed opera-
tional amplifier

7
所示为本文运算放大器的电源电压抑制比
仿真结果,低频电源电压抑制比为
105dB
。图
8

示为运算放大器的共模抑制比仿真结果,低频共模
抑制比为
130.1dB。
基于
Chartered 0.35
μ
m
工艺,利用
Cadence

司的
Virtuoso
工具设计电路版图,如图
9
所示。通过
对版图的
DRC

LVS
检查,证明此版图符合工艺规
则要求。最后进行后仿真,并将后仿真结果与前仿真
148 朱治鼎等:高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计
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,采用补偿技术来稳
定闭环特性。图
1
给出运放的整体结构。
图1
 运
放的整体结构
Fig.1 Structure of the operational amplifier
2.1 
输入差分跨导级设计及分析
共源共栅结构的运算放大器根据输入结构的不
同,分为套筒式和折叠式。套筒式共源共栅运算放
大器由于输入摆幅小,不利于闭环使用。折叠式共
源共栅运算放大器的输入摆幅和输出摆幅都相对高
一些,能够闭环使用,因此使用范围更广泛,但这些
优点是以损失增益为代价的
[4


设计指标要求开环增益大于
90dB
,这就要求
采用两级放大器,并且第一级应选择共源共栅结构
以提供高增益。要求共模输入电压范围为
0~2.4
V
,而采用的电源电压是
0~3.3 V
,因此要采用
PMOS
管输入共源共栅结构。本文设计的差分输
入单端输出的折叠式共源共栅放大器如图
2
所示。
其中,
M1、
M2、
M3、
M4
构成折叠式差分电路;
M5、
M6
构成运放两支路的偏置电流源;
M7、
M8、
M9、
M10
构成共源共栅电路;
M0
是尾电流 源
PMOS
管;
V
bias1

V
bias2

V
bias3
的偏置电压由偏置电路提供。
运放的增益表达式为:
  A
v1
=G
m
×R
out
(1

其中,
G
m
为输入差分管
M1、
M2
的等效跨导,
R
out

gm7×r
o7
×r
o9
//
gm3×r
o3
×(
r
o2
//
r
o5
)为输出节点的
输出电阻,因此运放增益为:
  A
v1
=g
m1
×[
gm7×r
o7
×r
o9
//
gm3×r
o3
×(
r
o2
//
r
o5
)] (2

可见,共源共栅结构能够提供较高的增益。
图2
 折
叠式共源共栅运算放大器电路
Fig.2 Folded-cascode operational amplifier
2.2 
输出级结构设计
第二级一般采用反相器结构,考虑到输出摆幅
要求在
0.3~3V
之间,输出可以采用电流源负载的
共源极,这种电路结构在负载上的电压不是紧随其
负载阻抗变化而变化的。图
3
所示为本文实际采用

PMOS
管输入的电流源负载共源输出级,能很好
地满足输出摆幅的要求。其中,
PMOS

M11
作为
输入管,
NMOS

M12
作为电流源负载,
V
bias2
偏置
电压由偏置电路提供,
V
in
为第一级折叠式共源共栅
电路的输出信号。
图3
 输
出级
Fig.3 Output stage
运放的增益为:
  A
v2
=G
m
×R
out
(3

其中,
G
m
=g
m11
(晶体管
M11
的跨导),
R
out
=r
o11
//
r
o12
(晶体管
M11
和晶体管
M12
的输出阻抗的并联
值)。输出摆幅为:
V
PP
=V
DD
-(
V
gs11
-V
th11
)-

V
gs12
-V
th12
) (4

可见,带电流源负载的共源级输出能够提供较
大的摆幅,还能提供适当的增益。
2.3 
偏置电路和运算放大器整体电路的设计
偏置电路中,
V
bias3

M0
提供偏置电流,
V
bias1

M3、
M4
提供偏置电压,
V
bias2

M5、
M6、
M12
提供
1472011-06-03
;定稿日期:
2011-08-06
基金项目:国家自然科学基金资助项目(
60976028
);北京工业大学博士启动基金资助项目(
X0002013201103,
X0002014201101,
X0002012200802)
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)

 
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
Chartered 0.35
μm
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
仿真结果表明,该电路在
3.3V
电源电压下直流开环增益

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
(2
012)
02-0146-04
Design of High Performance Folded-Cascode Operational Amplifier
ZHU Zhiding

PENG Xiaohong

LBenqiang

LI Xiaoqing

VLSI &System Laboratory

Beijing University of Technology

Beijing100124

P.R.China

Abstract:
 Folded-cascode operational amplifier could not only supply high gain and large bandwidth

but also in-
crease CMRR and PSRR.Based on Chartered 0.35
μ
m process

a differential input operational amplifier with fol-
ded-cascode structure was designed.The complete circuit of the folded-cascode operational amplifier was analyzed in
detail.Simulation with Spectre at 3.3Vsupply voltage showed that the operational amplifier had a DC open-loop
gain of 121.5dB

a unity gain bandwidth of 12MHz

aphase margin of 61.4°

a CMRR of 130.1dB and a PSRR
of 105dB.
Key words

 Folded-cascode

Operational amplifier

Analog IC
EEACC:
 1220
1 

 

运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重
要的部件,具有足够高的正向增益,且负反馈时闭环
传输函数与其增益几乎无关,因此被用于很多模拟
电路和系统的设计中。运算放大器最主要的性能指
标是有一个足够大的开环增益,以符合负反馈的概

[1


直观来说,长沟道、低偏置电流、多级运放电路
可以实现高增益,但会产生多个极点;高单位增益带
宽电路又要求短沟道、高偏置电流、单极点电路来实
现。由于共源共栅结构具有频率特性好、输出电阻
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
提高电路的直流增益,从而满足各个方面的需要
[2


本文从电路性能要求出发,设计了一种两级高增益
运算放大器,第一级采用差分输入单端输出的折叠
式共源共栅放大器,以达到高增益,同时提供适当的
摆幅;第二级采用共源极电路结构,以增大输出摆
幅,同时提供适当的增益
[3

。该电路从理论上满足
了高增益、高共模抑制比、高电源抑制比等要求。
Spectre
软件仿真结果显示,直流增益达到
121.5
dB
、相位裕度达到
61.4°。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
结果进行对比。后仿低频增益下降至
102dB
,相位裕
度下降至
53.7°
,单位增益带宽为
10.72MHz
,电源
电压抑制比为
88.1dB
,共模抑制比为
93.2dB
。尽管
各个参数都略有下降,但仍符合设计要求。
4 

 

本文设计了一种折叠式共源共栅运算放大器,
该电路具有高的低频增益、电源抑制比和共模抑制
比等。利用
Cadence-Spectre
仿真工具进行
DC、
AC
及瞬态分析。仿真结果表明,本文设计的运算放大
器具有
98.11dB
的直流开环增益,在
5pF
的负载
电容条件下,运放的单位增益频率为
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
。基于
Chartered 0.35
μ
m
工艺,利

Cadence
公司的
Virtuoso
工具完成电路版图设
计,并对电路进行了后仿真,后仿参数指标略有下
降,但仍符合设计要求,达到预期的设计目标。通过

W

L
或者直流偏置的微小调节,就可以让放大
器工作在指定的工作范围。
参 考 文 献:
[1

 ALLEN P E

HOLBERG R.CMOS模
拟集成电路与
设计 [
M]

冯军,李智群,译

第二版

北京:电子工
业出版社,
2005:
198-199.
[2
] 
柳逊,闫娜,吴晓铁,等

一种高性能运算放大器的
设计 [
J]

微电子学与计算机,
2005,
22(
6)

28-33.
[3

 RAZAVI B.Design of analog CMOS circuits
[M
].
New York

McGraw-Hill Co Inc
,2
001:
252-254.
[4
] 
陈 恒 江,刘 明 峰,郭 良 权,等

一 种 高 增 益 带 宽
CMOS
全 差 分 运 算 放 大 器 的 设 计 [
J]

微 电 子 学,
2009,
39(
2)

155-158.
[5

 RUUD G H

LEO P T

JOHAN H.A 100-MHz 100-
dB operational amplifier with multipath nested Miller
compensation
[J

.IEEE J Sol Sta Circ
,1
992,
27
(1
2)

1709-1717.
[6
] 
王志亮,段伟,王琴

折叠式共源共栅运算放大器的
0.6μ
m

CMOS
设计 [
J]

信息技术,
2008,
(3
):
7-
15.
[7
] 
何乐年,王忆

模拟集成电路设计与仿真 [
M]

北京:
科学出版社,
2008:
116.
作者简介:
朱治鼎(
1987
—),男(汉族),陕西安康
人,硕士研究生,研究方向为模拟集成电路
设计。
彭晓宏(
1963
—),男(汉族),副教授,
主要研究方向为模拟集成电路、模拟/数字
混合信号电路的设计。
149
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