0.6μmCMOS工艺全差分运算放大器的设计

0 引言

　　运算放大器是数据采样电路中的关键部分，如流水线模数转换器等。在此类设计中，速度和精度是两个重要因素，而这两方面的因素都是由运放的各种性能来决定的。

　　本文设计的带共模反馈的两级高增益运算放大器结构分两级，第一级为套筒式运算放大器，用以达到高增益的目的；第二级采用共源级电路结构，以增大输出摆幅。另外还引入了共模反馈以提高共模抑制比。该方案不仅从理论上可满足高增益、高共模抑制比的要求，而且通过了软件仿真验证。结果显示，该结构的直流增益可达到80 dB，相位裕度达到80°，增益带宽为74 MHz。

　　1 运放结构

　　通常所用的运算放大器的结构基本有三种，即简单两级运放、折叠共源共栅和套筒式共源共栅。其中两级结构有大的输出摆幅，但是频率特性比较差，一般用米勒补偿，可使得相位裕度变小，因而电路的稳定性会变差；套筒式的共源共栅结构，虽然频率特性较好，又因为它只有两条主支路，所以功耗比较小。但是这些都是以减小输入范围和输出摆幅为代价的。因此，为了缓解套筒式结构对输入电压范围的限制，本文提出了折叠式运算放大器结构的思路。折叠式结构比套筒式结构有更大的输入共模电平范围，但却以减小增益和带宽，增大噪声和功耗为代价的。考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，因此，本文选择套筒式共源共栅结构作为输入级，最后选择了如图1所示的全差分结构的两级运放结构。

　　1．1 主运放结构

　　全差分运算放大电路对环境噪声具有更强的抑制能力。而套筒式结构则具有高增益、低功耗以及频率特性好等特点。因此，第一级放大结构(即M0～M8)采用套筒式全差分放大器结构作为输入级。第二级(即M9～M11)为共源结构，以改善套筒式结构输出摆幅小的缺点，同时相应提高运算放大器的开环增益。但是，随着级数的增加，必然会增加电路的零极点，这对系统稳定性的要求更高。因此，必须引入补偿电容C3来补偿额外的极点，使电路的相位裕度能满足要求，并使性能稳定。另外，图1申的VB1用于提供尾电流镜偏置，VB2和VB3分别用于为PMOS和NMOS提供静态直流偏置，这三个偏置电压均提供有偏置电路。