0 引言

　 運算放大器是數(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)計中，速度和精度是兩個重要因素,，而這兩方面的因素都是由運放的各種性能來決定的,。

　　本文設(shè)計的帶共模反饋的兩級高增益運算放大器結(jié)構(gòu)分兩級，第一級為套筒式運算放大器,，用以達到高增益的目的,；第二級采用共源級電路結(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證。結(jié)果顯示,，該結(jié)構(gòu)的直流增益可達到80 dB,，相位裕度達到80°，增益帶寬為74 MHz,。

　　1 運放結(jié)構(gòu)

　　通常所用的運算放大器的結(jié)構(gòu)基本有三種,，即簡單兩級運放、折疊共源共柵和套筒式共源共柵,。其中兩級結(jié)構(gòu)有大的輸出擺幅,，但是頻率特性比較差，一般用米勒補償,，可使得相位裕度變小,，因而電路的穩(wěn)定性會變差；套筒式的共源共柵結(jié)構(gòu),，雖然頻率特性較好,，又因為它只有兩條主支路，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的,。因此，為了緩解套筒式結(jié)構(gòu)對輸入電壓范圍的限制,，本文提出了折疊式運算放大器結(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的,?？紤]到折疊共源共柵輸入級結(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,，最后選擇了如圖1所示的全差分結(jié)構(gòu)的兩級運放結(jié)構(gòu)。

　　1．1 主運放結(jié)構(gòu)

　　全差分運算放大電路對環(huán)境噪聲具有更強的抑制能力,。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。因此,，第一級放大結(jié)構(gòu)(即M0～M8)采用套筒式全差分放大器結(jié)構(gòu)作為輸入級,。第二級(即M9～M11)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,，同時相應(yīng)提高運算放大器的開環(huán)增益,。但是，隨著級數(shù)的增加,，必然會增加電路的零極點,，這對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求更高。因此,，必須引入補償電容C3來補償額外的極點,，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,，這三個偏置電壓均提供有偏置電路,。

　　對該運算放大器進行小信號分析，可以計算出第一級套筒式全差分結(jié)構(gòu)的放大倍AV1,，公式為：

A v1≈g2[(gm4τ2τ4)·(gm6τ6τs)]

　　其中,，gm2、gm4,、gm6分別表示M2,、M4、M6的跨導,，r2,、r4、r6,、r8分別表示M2,、M4、M6,、M8管的輸出電阻,。

　　第二級共源級放大結(jié)構(gòu)的單端放大倍AV2可用下式計算：

AV2=-gM10r10

　　其中,，gM10、r10分別表示M10管的跨導和輸出電阻,。因此,，整個米勒補償型運算放大器的開環(huán)增益A v可以用第一級和第二級的放大倍數(shù)之積來表示：

A v="A" v1A v2

　　1．2 共模反饋電路

　　由于本設(shè)計采用的是全差分結(jié)構(gòu)，所以,，為了通過穩(wěn)定直流來穩(wěn)定輸出共模電壓,，保證輸出級工作于線性區(qū)，通常需要一個共模反饋(CMFB)電路,。共模反饋電路一般有兩種類型,。一種為連續(xù)時間式，另一種為開關(guān)電容式,。本設(shè)計采用的是開關(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S1～S6為開關(guān),，C1～C4是共模反饋電容,，Vout+和Vout-是運放的輸出電壓，ψ1和ψ2是兩相不交疊的時鐘信號,。VCM是理想共模輸出電壓，Vb1是理想的共模偏置電壓,，Vb2是實際的共模偏置電壓,，即運放中電流源的控制電壓。實際中,，S1～S6的開關(guān)都是由NMOS管實現(xiàn)的,。

　　1．3 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),。在共源共柵輸入級中,，通常需要三個電壓偏置。為了使輸入級的動態(tài)范圍大一些,，圖3中的寬擺幅電流源用來產(chǎn)生所需要的三個偏置電壓,。根據(jù)寬擺幅電流源的設(shè)計要求，設(shè)計時必須滿足以下關(guān)系式：

　　2 電路仿真結(jié)果

　　采用HSPICE電路仿真工具,，并利用上華0．6μm CMOS工藝模型參數(shù),，可對電路進行仿真，仿真結(jié)果顯示：該運放的開環(huán)直流增益為80 dB,，相位裕度80度,，單位增益帶寬74 MHz。圖4為其幅頻及相頻特性曲線,。由圖4可見,，電路功耗為1．9 mW,；差動輸出范圍為-2．48～2．5 V；電源電壓為2．5 V,。

　　3 結(jié)束語

　　本文給出了一種低電壓全差分套筒式運算放大器的設(shè)計方法,，同時對該設(shè)計方法進行了仿真，從仿真結(jié)果可以看出,，在保證高增益,、低功耗的同時，該設(shè)計還可以滿足20 MHz流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中運放的設(shè)計要求,。