一種高速低壓用增益增強型運算跨導放大器設計

1、    一種高速低壓用增益增強型運算跨導放大器設計0引言在高性能模擬集成電路，諸如開關電容濾波器、-調制器和流水線AD轉換器中，常常需要高直流增益、高單位增益帶寬的運放來同時滿足系統(tǒng)對精度與速度的要求。高增益要求運放采用多級、長溝道器件，小的工作電流；而高速則要求運放采用單級、短溝道器件，大的工作電流。增益增強技術的提出解決了這對矛盾，提高了運放的直流增益而又不影響其高頻性能。然而，零極點對(doublet)的存在會影響運放的建立特性1，2。通常，消除d0 引言    在高性能模擬集成電路，諸如開關電容濾波器、-調制器和流水

2、線AD轉換器中，常常需要高直流增益、高單位增益帶寬的運放來同時滿足系統(tǒng)對精度與速度的要求。高增益要求運放采用多級、長溝道器件，小的工作電流；而高速則要求運放采用單級、短溝道器件，大的工作電流。增益增強技術的提出解決了這對矛盾，提高了運放的直流增益而又不影響其高頻性能。然而，零極點對(doublet)的存在會影響運放的建立特性1，2。通常，消除doublet影響的方法是提高其發(fā)生的頻率，但若過高的doublet發(fā)生頻率將導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定3，4。1 運放的設計和優(yōu)化11 運放的結構選擇    目前流行的運算跨導放大器(OTA)結構中，套筒結構有最好的性能，但輸出擺幅&

3、#160;   受限，不適合用于低壓設計。折疊共源共柵結構有更大的輸出擺幅以及可以使輸入和輸出短接，共模輸入電平更容易選取，所以得到了廣泛的應用。本運放采用折疊共源共柵結構，總電路如圖1所示。(參見右欄)輸入管選用PMOS管，因為PMOS管的載流子遷移率低，所以要獲得相同的速度和增益，需要更大的電流和更大的尺寸，但因為它的折疊點在NMOS處而NMOS的尺寸要小于流過相同電流的PMOS的尺寸，所以折疊點的寄生電容比較小，折疊點帶來的極點高，有較好的頻率特性。另一方面，PMOS輸入管優(yōu)化了1f噪聲。12 建立時間分析及優(yōu)化    采用共源共柵結構的

4、增益增強技術提高了直流增益，卻沒有顯著影響高頻性能，然而由于零級點對的存在，影響了運放的瞬態(tài)建立特性。下面主要分析運放建立特性，來優(yōu)化建立時間。    首先，應考察輔助運放引起偶對的原因。在忽略寄生電容作用的條件下，單極點性質的增強型運算跨導放大器(GBCA)增益?zhèn)鬟f函數(shù)為式(1)，若輔助運放采用式(2)的單極點模型近似，a01，得到式(3)，代入au=a0a1的條件，在a1的頻率范圍下，開環(huán)增益為式(4)，由內部反饋環(huán)路形成的一對偶對分別為dz=au，dp=au+1。以偶對中數(shù)值較小的零點dz為參照，偶對的分離系數(shù)為該零點的分離度與輔助運放的單位增益帶寬和主運放

5、的主極點頻率密切相關。在以上簡單近似條件下，由于au與1無關，則當單調增加輔助運放帶寬使a1時，形成的偶對相互間越來越靠近，對系統(tǒng)相位的影響可以忽略，而對瞬態(tài)特性的影響必須以閉環(huán)系統(tǒng)進行分析。對于F反饋系數(shù)及以上開環(huán)系統(tǒng)構成的閉環(huán)系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)的偶對將變成閉環(huán)系統(tǒng)的偶對。在a1的頻率范圍下，有式(5)，設閉環(huán)系統(tǒng)在主次極點分離條件下的主極點頻率為i=Fu?？紤]到偶對中極點dp相對t的位置由比值系數(shù)決定，即主要由au與u的位置關系所決定，則有式(6)。    階躍響應可通過拉氏反變換得到：   瞬態(tài)特性的理論分析表明，閉環(huán)偶對的相對位置

6、關系近似保持原有開環(huán)下的性質不變。在高頻極點的影響下，閉環(huán)主極點帶寬下降為t。根據(jù)以上的分析結果，得到GBCA電路設計步驟如下：    1)設計主運放。增益帶寬積由建立時間要求確定，相位裕度高于70度；    2)找出主運放的共源共柵(cascode)管的柵電容，作為輔助運放的負載電容；    3)設計輔助運放。增益帶寬積(GBW)略大于主運放的GBW，相位裕度高于80度。13 共模反饋與偏置    共模反饋電路是全差分運放的一個不可或缺的部分。本文的主運放選用動態(tài)開關電容共模反饋，如圖2所示。選用這種結構的原因，一方面是這種共模反饋電路可節(jié)省功耗；另一方面是其共模電壓取樣電路不會限制運放的輸出擺幅。盡管其具有上述優(yōu)點，但它不適合兩個輔助運放。因為兩個輔助運放的輸出負載是主運放中共源共柵管的柵電容，它們都較小。若采用開關電容共模反饋，共模反饋電路的電容勢必更小，致使開關的電荷注入效應影響到電路的精度。此外，兩個輔助運放也是全差分的，也需要共模反饋。由于輔助運放不需要大的輸出擺幅，而且輔助運放nbooster和pboost