0.6μm_CMOS工藝全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

0.6mCMOS工藝全差分運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)0引言運(yùn)算放大器是數(shù)據(jù)采樣電路中的關(guān)鍵部分，如流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。在此類設(shè)計(jì)中，速度和精度是兩個(gè)重要因素，而這兩方面的因素都是由運(yùn)放的各種性能來決定的。本文設(shè)計(jì)的帶共模反饋的兩級(jí)高增益運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)分兩級(jí)，第一級(jí)為套筒式運(yùn)算放大器，用以達(dá)到高增益的目的；第二級(jí)采用共源級(jí)電路結(jié)構(gòu)，以增大輸出擺幅。另外還引入了共模反饋以提高共模抑制比。該方案不僅從理論上可滿足高增益、高共模抑制比的要求，而且通過了軟件仿真驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)的直流增益可達(dá)到80dB，相位裕度達(dá)到80，增益帶寬為74MHz。1運(yùn)放結(jié)構(gòu)通常所用的運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)基本有三種，即簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放、折疊共源共柵和套筒式共源共柵。其中兩級(jí)結(jié)構(gòu)有大的輸出擺幅，但是頻率特性比較差，一般用米勒補(bǔ)償，可使得相位裕度變小，因而電路的穩(wěn)定性會(huì)變差；套筒式的共源共柵結(jié)構(gòu)，雖然頻率特性較好，又因?yàn)樗挥袃蓷l主支路，所以功耗比較小。但是這些都是以減小輸入范圍和輸出擺幅為代價(jià)的。因此，為了緩解套筒式結(jié)構(gòu)對(duì)輸入電壓范圍的限制，本文提出了折疊式運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的思路。折疊式結(jié)構(gòu)比套筒式結(jié)構(gòu)有更大的輸入共模電平范圍，但卻以減小增益和帶寬，增大噪聲和功耗為代價(jià)的?？紤]到折疊共源共柵輸入級(jí)結(jié)構(gòu)的功耗比較大，因此，本文選擇套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)，最后選擇了如圖1所示的全差分結(jié)構(gòu)的兩級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)。11主運(yùn)放結(jié)構(gòu)全差分運(yùn)算放大電路對(duì)環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抑制能力。而套筒式結(jié)構(gòu)則具有高增益、低功耗以及頻率特性好等特點(diǎn)。因此，第一級(jí)放大結(jié)構(gòu)(即M0M8)采用套筒式全差分放大器結(jié)構(gòu)作為輸入級(jí)。第二級(jí)(即M9M11)為共源結(jié)構(gòu)，以改善套筒式結(jié)構(gòu)輸出擺幅小的缺點(diǎn)，同時(shí)相應(yīng)提高運(yùn)算放大器的開環(huán)增益。但是，隨著級(jí)數(shù)的增加，必然會(huì)增加電路的零極點(diǎn)，這對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求更高。因此，必須引入補(bǔ)償電容C3來補(bǔ)償額外的極點(diǎn)，使電路的相位裕度能滿足要求，并使性能穩(wěn)定。另外，圖1申的VB1用于提供尾電流鏡偏置，VB2和VB3分別用于為PMOS和NMOS提供靜態(tài)直流偏置，這三個(gè)偏置電壓均提供有偏置電路。對(duì)該運(yùn)算放大器進(jìn)行小信號(hào)分析，可以計(jì)算出第一級(jí)套筒式全差分結(jié)構(gòu)的放大倍AV1，公式為：Av1g2(gm424)(gm66s)其中，gm2、gm4、gm6分別表示M2、M4、M6的跨導(dǎo)，r2、r4、r6、r8分別表示M2、M4、M6、M8管的輸出電阻。第二級(jí)共源級(jí)放大結(jié)構(gòu)的單端放大倍AV2可用下式計(jì)算：AV2=-gM10r10其中，gM10、r10分別表示M10管的跨導(dǎo)和輸出電阻。因此，整個(gè)米勒補(bǔ)償型運(yùn)算放大器的開環(huán)增益Av可以用第一級(jí)和第二級(jí)的放大倍數(shù)之積來表示：Av=Av1Av212共模反饋電路由于本設(shè)計(jì)采用的是全差分結(jié)構(gòu)，所以，為了通過穩(wěn)定直流來穩(wěn)定輸出共模電壓，保證輸出級(jí)工作于線性區(qū)，通常需要一個(gè)共模反饋(CMFB)電路。共模反饋電路一般有兩種類型。一種為連續(xù)時(shí)間式，另一種為開關(guān)電容式。本設(shè)計(jì)采用的是開關(guān)電容式結(jié)構(gòu)，圖2所示是開關(guān)電容式共模反饋電路。其中S1S6為開關(guān)，C1C4是共模反饋電容，Vout+和Vout-是運(yùn)放的輸出電壓，1和2是兩相不交疊的時(shí)鐘信號(hào)。VCM是理想共模輸出電壓，Vb1是理想的共模偏置電壓，Vb2是實(shí)際的共模偏置電壓，即運(yùn)放中電流源的控制電壓。實(shí)際中，S1S6的開關(guān)都是由NMOS管實(shí)現(xiàn)的。13偏置電路偏置電路主要用于提供折疊共源共柵放大器及共模反饋的偏置電壓。本文采用如圖3所示的寬擺幅電流源偏置電路結(jié)構(gòu)。在共源共柵輸入級(jí)