用于Sigma-Delta调制器的低电压跨导运算放大器

摘要：跨导运算放大器是模拟电路中的重要模块，其性能往往会决定整个系统的效果。这里设计了一种适用于高阶单环Sigma-Delta调制器的全差分折叠式共源共栅跨导运算放大器。该跨导运算放大器采用经典的折叠式共源共栅结构。带有一个开关电容共模反馈电路。运算放大器使用SIMC O．18μm CMOS混合信号工艺设计，使用Spectre对电路进行整体仿真，仿真结果表明，负载电容为5 pF时，该电路直流增益可达72 dB、单位增益带宽91．25MHz、相位裕度83．35°、压摆率35．1 V／μs、功耗仅为1．41 mW。本设计采用1．8 V低电源电压供电，通过对电路参数的优化设计，使得电路在低电压条件下仍取得良好的性能，能满足sigma Delta调制器高精度的要求。
关键词：跨导运算放大器；折叠式共源共栅；COMS；sigma-Delta调制器

在小尺寸、高性能、便携的移动通讯和消费电子产品的需求飞速增长的带动下，sigma-Delta型模数转换器得到了更广泛的研究和使用。Sigma-Delta模数转换器具有对电路匹配精度要求很低，精度高等特点，以跨导运算放大器OTA(Operational Ttansconoluctance Amp-lifier)为核心的调制器是Sigma-Delta模数转换器电路中的模拟电路部分。其结构选择和电路参数设计都极大影响着整个模数转换器所达到的速度和精度。
这里提出了一种用于16位三阶单环CIFB型Sigma-Delta调制器的全差分折叠式共源共栅跨导运算放大器设计方案，其电路仿真结果显示，该设计性能指标达到该调制器所需要求。

1 电路性能要求及结构参量
1．1 跨导运算放大器指标分析
运放的有限增益会引起相位偏移，从而将造成噪声传输函数(NTF)的零点偏离正常位置。三阶单环CIFB型Sigma-Delta调制器是用巴特沃兹三阶滤波器实现的，这种结构的优点是对系数不敏感，允许系数和零极点位置。三阶单环CIFB型Sigma-Delta调制器是用巴特沃兹三阶滤波器实现的，这种结构的优点是对系数不敏感，允许系数和零极点存在较大的容差，因此对运放的增益要求较低。通常运放增益大于60 dB就不会影响调制器的性能。
积分器的输出电压需要一定的建立时间，一部分是非线性转换时间tSR，取决于运放的压摆率，另一部分是线性建压时间tL，取决于运放的单位增益带宽。为了防止谐波出现在输出中，积分器的输出必须在半个时钟周期内建立

图1为三阶单环调制器行为级仿真模型，根据图l的行为级综合结果，只有OTA的压摆率大于40 V／μs，单位增益带宽大于50 MHz才能满足式(1)的要求。