隨著電子技術(shù)的進步，數(shù)字電視也得到了迅猛發(fā)展，其中視頻數(shù)字編解碼芯片是它的核心部件，而ADC又是影響其性能的關(guān)鍵模塊，因此設(shè)計高性能的模擬前端ADC成為IC設(shè)計的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計了一種在12位精度、80MHz采樣率的ADC中負(fù)責(zé)采樣保持的核心電路—運算跨導(dǎo)放大器 （OTA）。

運放結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)ADC的要求可以推算出運放的性能指標(biāo)，如表1所示，據(jù)此可以選擇運放的結(jié)構(gòu)。目前常見的三種基本的運算放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）是簡單的兩級運放，它具有大的輸出擺幅2（Vdd-2Vds，sat），但頻率特性差，一般用Miller法補償，使得相位裕度變小，但會導(dǎo)致電路穩(wěn)定性變差。另一種改進的補償方式是增加調(diào)零電阻R2=1/Cc（1/gmb-R），但由于工藝的不穩(wěn)定性，難以得到精確的電阻值。圖1（b）是套筒式運放，整個電路可以看成是單極點系統(tǒng)，無需補償，因此頻率特性好；又因為它只有2條主支路，因此功耗低，但輸入/輸出擺幅小。圖1（c）是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，它改進了套筒式輸入/輸出擺幅小的缺點，但存在4條主支路，功耗大且穩(wěn)定性變差。綜上所述，本文結(jié)合圖1（b）、（c）的優(yōu)點，設(shè)計了全差分套筒式增益增強型運放，如圖2所示，它能滿足高增益帶寬、低功耗等設(shè)計要求。

圖1 三種基本運算放大器

電路原理分析

增益倍增

為了提高增益，在共源共柵結(jié)構(gòu)上附加輔助運算放大器，如圖3所示，可以增強共源共柵效應(yīng)。輔助運放的放大倍數(shù)為Aadd，通過減小由輸出到輸入管漏極的反饋，輸出可增大Aadd倍，也即等效于：Rout≈（gm2rds2（Aadd+1）+1）rds1+rds2。其中，gm2是M2管跨導(dǎo)，rds1與rds2分別為M1與M2的輸出阻抗。因此電路的直流增益也會增大同樣的倍數(shù)，Av=gm1Rout≈-gm1rds1（gm2rds2 （Aadd+1）+1）。

同理，給圖2中的套筒式主運放加上輔助運放后，其直流增益可提高為Av=-gm1 ［（gm5rds5rds7Aadd_p） //（gm3rds3 （rds9//rds1）Aadd_n）］， 式中Aadd_n和 Aadd_p分別是輔助運放A_n和A_p的放大倍數(shù)。圖4中示出了n型輔助運放A_p的結(jié)構(gòu)。

p型輔助運放A_n用于推進主運放的M3、M4管，n型輔助運放A_p用于推進主運放的M5、M6管。輔助運放采用折疊式結(jié)構(gòu)，不需要太快的速度和建立時間，因此其尾電流取為主運放的1/10，大大降低了整個電路的功耗和面積。

表2 輔助運放的設(shè)計方法

頻率響應(yīng)分析

圖2中全差分套筒式共源共柵運放的主極點在P1點，頻率為wp1=-1/RoutCL；次極點位于P2或P3點。通常由于p管的遷移率比n管的遷移率小，因此p管的過驅(qū)動電壓較大，導(dǎo)致寬長比W/L也較大，即P2點的電容比P3的電容大。因此可以認(rèn)為P2點為次主極點，wp2=-gm5/Cp， 其中g(shù)m5為M5管的跨導(dǎo)，Cp主要包括M5管的柵源電容Cgs和M3管的柵漏電容Cgd。而主運放的單位增益頻率為wu=gm1/CL，其中g(shù)m1為M1管的跨導(dǎo)。當(dāng)加入輔助運放時，附加的增益部分與M5管形成閉環(huán)，若附加增益部分速度太快，電路就可能變得不穩(wěn)定。又因為輔助運放增加了一對零極點wdoublet，如果設(shè)計不好，就會嚴(yán)重影響運放的建立特性。因此應(yīng)使這對零極點盡量靠近，并且盡量遠離主運放的單位增益頻率，同時還要小于主運放的次主極點，即：bWu瞱doublet瞱p，其中b是閉環(huán)反饋系數(shù)。

圖2 套筒式增益增強型主運放

主運放和輔助運放的設(shè)計方法

在設(shè)計套筒式共源共柵主運放時，首先根據(jù)最大輸出擺幅的要求，分配過驅(qū)動電壓Vod并設(shè)置靜態(tài)工作點。由圖可得：Vout，max=Vdd-（|Vod7|+|Vod5|）， Vout，min=Vod9+Vod1+Vod3， 設(shè)輸出擺幅為1.5V， 則|Vod7|+|Vod5|+ Vod9+Vod1+Vod3=3.3-1.5=1.8V， 由于p管M7、M5的遷移率低，給它們均分配0.45V的過驅(qū)動電壓，剩余的平均分配給M9、M1、M3各0.3V。再由閥值電壓公式Vgs=Vt+Vod知：允許的最小輸入共模電平等于Vgs1+Vod9=1V，VB1的最小值為Vgs3+Vod1+Vod9=1.3V，Vod5的最大值為：VDD-（|Vgs5|+|Vod7|）= 1.6V。因此，綜合考慮合理設(shè)置其偏置電壓VB4、VIN、 VG3、VG5、 VB1分別為：0.8V、1.2V、1.79V、1.6V、2.21V。

在進行電路設(shè)計時，首先需要手工估算寬長比W/L，這可以根據(jù)CMOS管飽和電流公式IDS=Kn（W/L）（VGS-VTN）2（1+lVDS）得到，式中器件跨導(dǎo)參數(shù)Kn=UnCox，l=，其中Cox為單位面積的氧化層電容，N為襯底摻雜濃度，Un為n溝道器件的表面遷移率。同理可計算P管參數(shù)。

折疊式共源共柵輔助運放的設(shè)計方法如表2所示，其中設(shè)寬長比Sn=（W/L）n。

圖4 n型輔助運放A_p

仿真驗證和結(jié)論

在Cadence的Spectre平臺下，本設(shè)計采用TSMC公司的0.35mm CMOS工藝模型，在3.3V電源電壓下，分別在tt（典型）、sf（慢NMOS， 快PMOS）、ff（快NMOS，快PMOS）3種工藝條件下對所設(shè)計的運放進行了仿真。仿真結(jié)果表明，本文采用的增益增強型套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)的全差分CMOS運算放大器具有110dB的直流開環(huán)增益，320MHz的增益帶寬，65？南轡輝６齲？拱諑蝕笥？00V/ms， 建立時間小于6ns，功耗小于5.7mW。

結(jié)語

本文對增益提高技術(shù)的原理和全差分套筒式共源共柵運算放大器進行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個帶增益提升的全差分折疊式共源共柵運算放大器，它能有效地提高增益，同時對運算放大器的速度及穩(wěn)定性等影響很小。因此，該運放達到了設(shè)計性能的要求，可以運用于高速、高精度的ADC等。

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