1、第 卷第 期年 月微 电 子 学，收稿日期 ：；定稿日期 ：基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 （）；北京工业大学博士启动基金资助项目 （，）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）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 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 。仿真结果表明 ，该电路在电源电压下直流开环增益为、单位增益带宽为、相位裕度为、共模抑制比为、电源电压抑制比为，达到了预期的设计目标 。关键词
2、：折叠式共源共栅 ；运算放大器 ；模拟集成电路中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ：（） ， ， （ ， ，）： ， ， ， ， ， ：； ； ： 引言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 ，以符合负反馈的概念。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
3、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。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。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 。软件仿真结果显示 ，直流增益达到、相位裕度达到。第 期 朱治鼎等 ：高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计 电路结构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
4、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 。图给出运放的整体结构 。图 运放的整体结构 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。设计指标要
5、求开环增益大于，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，而采用的电源电压是，因此要采用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所示 。其中 ，、构成折叠式差分电路 ；、构成运放两支路的偏置电流源 ；、构成共源共栅电路 ；是 尾 电 流 源管 ；、的偏置电压由偏置电路提供 。运放的增益表达式为 ：（）其中 ，为输入差分管、的等效跨导 ，（）为输出节点的输出电阻 ，因此运放增益为 ：（） （）可见 ，共源共栅结构能够提供较高的增益 。图 折叠式共源共栅运算放大器电路 输出级结构设计第二级一般采用反相器结构 ，考
6、虑到输出摆幅要求在之间 ，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 。图所示为本文实际采用的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 ，管作为输入管 ，管作为电流源负载 ，偏置电压由偏置电路提供 ，为第一级折叠式共源共栅电路的输出信号 。图 输出级 运放的增益为 ：（）其中 ，（晶体管的跨导 ），（晶体管和晶体管的输出阻抗的并联值 ）。输出摆幅为 ：（）（） （）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 。 偏置电路和运算放大器整体电路的设计偏置电路中 ，为提供偏置电流 ，为、提供偏置电
7、压 ，为、提供朱治鼎等 ：高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计 年偏置电压 。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 。是由外部引入的基准电流 。图所示为本文设计的偏置电路 。图中 ，与构成电流镜 ，参考电流通过电流镜把按管子宽长比的比例镜像到，从而产生主电路所需要的偏置电压。图 偏置电路 图所示为本文运算放大器的整体电路 。各个端口定义为 ：为工作电压 ，为电源地 ，为反相输入端 ，为同相输入端 ，为输出端 ；电阻、；电容、；为的电流源 。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
8、输出节点 。采用密勒补偿电容将主极点向低频移动 ，将非主极点向高频移动来实现极点分离 。添加补偿电阻，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。电路所带负载为的电容 。表列出运算放大器各器件的尺寸 。图 运算放大器整体电路 表 运算放大器器件参数 晶体管尺寸 晶体管尺寸 电路仿真结果及版图实现采用公司的仿真工具对电路进行仿真 ，仿真模型采用 工艺模 型 。仿 真 过 程 中 ，对及采用简化仿真 ，仿真的结果是实际数据的倒数。图所示为增益与相位的仿真结果 ，增益为，单位增益带宽约为，相位裕度为。图 运算放大器的增益与相位曲线 图所示为本文运
9、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。图所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。基于 工艺 ，利用公司的工具设计电路版图 ，如图所示 。通过对版图的和检查 ，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第 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，相位裕度下降至，单位增益带宽为，电源电压抑制比为，共模抑制比为。尽管各个参数都略有下降 ，但仍符合设计要求 。 结论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 。利用仿真工具进行、及瞬态分析
10、。仿真结果表明 ，本文设计的运算放大器具有的直流开环增益 ，在的负载电容条件下 ，运放的单位增益频率为，相位裕度为，共模抑制比为，电源电压抑制比为。基于 工艺 ，利用公司的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 。通过对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 ： ， 模拟集成电路与设计 冯军 ，李智群 ，译 第二版 北京 ：电子工业出版社 ，：柳逊 ，闫娜 ，吴晓铁 ，等 一种高性能运算放大器的设计 微电子学与计算机 ，（）： ： ，：陈 恒 江 ，刘 明 峰 ，郭 良 权 ，等 一种高增益带宽全差分运算放大器的设计微 电 子 学，（）： ， ， ，（）：王志亮 ，段伟 ，王琴 折叠式共源共栅运算放大器的的 设计信息技术，（）：何乐年 ，王忆 模拟集成电路设计与仿真 北京 ：科学出版社 ，：作者简介 ：朱治鼎 （），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 （），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 。
