采樣保持電路中全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與仿真

 摘要：本文設(shè)計(jì)了一種全差分運(yùn)算放大器，對(duì)運(yùn)算放大器的AC 特性和瞬態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。該運(yùn)放采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)、開(kāi)關(guān)電容共模反饋（SC-CMFB）電路以及低壓寬擺幅偏置電路，以實(shí)現(xiàn)在高穩(wěn)定下的高增益和大輸出擺幅。在Cadence 環(huán)境下，基于CSMC 0.6um 工藝模型，進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明，運(yùn)算放大器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

　　1 引 言

　　運(yùn)算放大器是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)完整部分，伴隨著每一代CMOS 工藝，由于電源電壓和晶體管溝道長(zhǎng)度的減小，為運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)不斷提出新的挑戰(zhàn)。在采樣保持電路的設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的模塊之一，其帶寬，擺率，增益，噪聲，失調(diào)等性能直接決定了采樣保持電路模塊的速度，精度等性能。

　　2 折疊共源共柵結(jié)構(gòu)

　　電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 折疊共源共柵運(yùn)算放大器

　　運(yùn)算放大器采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，采用NMOS 輸入差分對(duì)MN1 和MN2。MN0 為輸入差分對(duì)的尾電流源，向MN1 和MN2 提供直流偏置。MP1 和MP2 為電流源，向輸入管和共源共柵管提供直流偏置。MP3 和MP4 為共源共柵管，用來(lái)提高運(yùn)算放大器的增益。MN3，MN4，MN5 和MN6 是共源共柵電流鏡負(fù)載，采用共源共柵結(jié)構(gòu)可以提高輸出阻抗。[!--empirenews.page--]

　　與套筒式結(jié)構(gòu)相比，折疊共源共柵結(jié)構(gòu)放大器輸出擺幅增大了一個(gè)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，另外較大的共模輸入范圍是我們選擇折疊共源共柵結(jié)構(gòu)的主要原因。

　　3 開(kāi)關(guān)電容共模反饋（CMFB）電路

　　由于采用全差分結(jié)構(gòu)，而在高增益的全差分運(yùn)算放大器中，輸出共模電平對(duì)器件的特性和適配相當(dāng)敏感，而且不能通過(guò)差模反饋來(lái)達(dá)到穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)時(shí)增加了共模反饋電路模塊，來(lái)穩(wěn)定輸出共模電平。共模反饋電路如圖2 所示。共模反饋電路與主運(yùn)放的連接如圖1 所示。

圖 2 共模反饋電路

　　該結(jié)構(gòu)與電阻檢測(cè)方式，運(yùn)用MOSFET 作為源級(jí)跟隨器和可變電阻的檢測(cè)技術(shù)相比有明顯優(yōu)點(diǎn)。其工作流程如下，時(shí)鐘信號(hào)在Φ1 相位時(shí)，為C1 充電，確定C1 兩端的電壓，在Φ2 相位時(shí)，將C1 與C2 并聯(lián)，根據(jù)Vo1 和Vo2 平均值的大小確定輸出共模電平。例如，（Vo1+Vo2）/2>VREF，則輸出共模電平cmctl bias v > v ，從而使尾電流減小，最終導(dǎo)致輸出（Vo1+Vo2）/2 減小，連續(xù)幾個(gè)周期調(diào)整后，將使（Vo1+Vo2）/2≈Vref。從而達(dá)到控制輸出共模電平的目的。

　　4 偏置電路

　　如圖3 為放大器的偏置電路。MN1，MN2 及MN1，MN3 組成NMOS 電流鏡，2，3 支路將鏡像1 支路的電流，MP3，MP4 組成PMOS 電流鏡，這樣，4 支路的電流將鏡像自3 支路。MP2，MP1，MN4，MN5 采用二極管連接方式，以提供主放所需要的偏置，1 支路所用電流源，在電路設(shè)計(jì)中已替換成溝道長(zhǎng)度L 較大（可以提供高阻抗）的管，調(diào)整此PMOS 管的尺寸可以調(diào)整偏置電流，進(jìn)而控制運(yùn)放的增益，帶寬及擺率等特性。

圖 3 運(yùn)算放大器的偏置電路[!--empirenews.page--]

　　5 仿真驗(yàn)證

　　5.1 放大器的AC 特性分析

　　采用Cadence Spectre 仿真工具，CSMC0.6um 工藝模型進(jìn)行仿真。得到如圖4 的仿真結(jié)果。

圖4 放大器AC 特性曲線

　　從而可以得到運(yùn)算放大器的AC 特性，可以看出運(yùn)算放大器是穩(wěn)定的。

　　5.2 放大器的瞬態(tài)特性驗(yàn)證

　　在輸入端加階躍信號(hào)圖，得到放大器瞬態(tài)特性驗(yàn)證結(jié)果曲線，如圖5 所示。其中，圖中上半部分兩條曲線為輸入差分信號(hào)（方波信號(hào)），下半部分兩條曲線為輸出信號(hào)。從而可以確定放大器的瞬態(tài)特性如表2所示。

圖 5 放大器瞬態(tài)特性曲線

表放大器的瞬態(tài)特性

　　6 結(jié)論

　　在5V 電源電壓下，基于CSMC0.6um 工藝模型，驅(qū)動(dòng)1pF 負(fù)載時(shí)，運(yùn)算放大器功耗為6.2mW，開(kāi)環(huán)增益70dB，帶寬54MHz，相位裕度77，擺率15V/us，建立時(shí)間95ns?？捎糜?strong>采樣保持電路中。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)、開(kāi)關(guān)電容共模反饋電路以及低壓寬擺幅偏置電路，實(shí)現(xiàn)了在高穩(wěn)定下的高增益、大輸出擺幅和較大的共模輸入范圍。