一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的设计

鲍占营 （湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105）

摘  要：本文提出了一种非对称套筒式共源共栅放大器。同传统对称套筒式共源共栅运算放大器相比，在相同 的带宽和输入跨导情况下，非对称套筒式共源共栅结构具有更高的电流利用效率，该结构能够减小放大器的 尺寸和功耗，同时不影响放大器的增益和输出摆幅。基于Cadence Spectre对电路进行了仿真验证，仿真结果表 明，非对称套筒式共源共栅结构具有接近单端放大器的电流利用效率。 

关键词：非对称；套筒式共源共栅放大器；带宽；跨导

0  引言 

放大器是最重要的集成电路之一，可以追溯到真空 管时代。由于放大器具有很多有用的特性，所以已经成 为当代高性能模拟电路和混合信号的主要选择^[1]。工作 于负反馈状态的放大器是模拟电路的基本单元之一，广 泛应用于模拟电路，例如ADC、仪表放大器、误差放大 器等。 放大器可分为单端放大器与差分放大器。单端放大 器结构简单，电流效率高，易于计算和使用，但无法 完成差分信号的处理。差分放大器处理差分信号，有更 高的电源噪声抑制比和更大的输出摆幅，但是相比于同 类单端放大器有着更高的功耗和面积^[1-2]。共源共栅运 放增益较高、结构简单、计算方便，是常用的差分放 大器。共源共栅运放有套筒式和折叠式两种，折叠式 共源共栅结构共模输入范围较高^[3-4]，但是多了输入对 支路，有更多的电流消耗，电流利用效率较低。套筒式 共源共栅输入共模范围较低，但是省了额外的输入对支 路，相比于折叠式共源共栅有更高的电流效率。

1  单端放大器与传统套筒式共源共栅结构分析 

1.1 单端放大器 

单端放大器以电阻负载的共源极为例，如图1（a），M1为输入管，电阻R_D为负载电阻，C_L为负载 电容，共源放大器工作原理简单，可以直接写出它的增 益和增益带宽积。

直流增益为：

增益带宽积为：

由此可见，共源放大器所消耗的电流对放大器的增 益带宽积都有贡献，可以认为放大器所消耗的1倍的电 流贡献了1倍的带宽。 

1.2 传统套筒式共源共栅结构 

传统套筒式共源共栅结构如图1（b）所示，M7、 M8为NMOS差分输入对，M3、M5和M4、M6为共源共 栅负载。其中左右输入对管和负载管尺寸个数完全相同，为对称式结构，其跨导为g_m7,8，增益为：

套筒式共源共栅结构是常见的运放结构，这里直接 分析稳态时小信号压差加在输入对两端时的小信号工作 状态。当套筒式共源共栅结构两输入端有小信号电压VX 变化时，假设Q点电压不变， 电路工作点不发生变化，初 始栅上电压为V₀。假设其中 反相端小信号电压升高，同 相端小信号电压降低，那么 M7中的小信号电流向上，M8 中的小信号电流向下。但此 时Q点电压不变，因此，根据 基尔霍夫电流定律^[5]，我们有 小信号电流Im7+Im8=0，即

因为M7、M8尺寸完全相同，g_m7=g_m8，因而

即

这和Q点电压不变是一致的。同样M6的小信号电流 变化也是I_m1，又以电流镜的方式复制给M5，则输出端 的小信号电流大小为：

则，差分对的直流增益为：

与之前式子相等。 

增益带宽积为：

套筒式共源共栅放大器结构简单，有很好的对称 性，可以直接写出放大器的增益，但是流过差分对的2 倍电流只贡献了1倍的输入级跨导与带宽，另1个对跨导 与带宽不做贡献的输入管M8与负载M4、M6起到反馈与复制电流的作用，与单端放大器相比，流过决定输入跨 导的MOS管的电流为尾电流I_D2的一半，电流利用效率 只有单端放大器的1/2，浪费了电流与芯片面积，电流 与版图利用效率一般。

2  非对称套筒式共源共栅结构

为了提高电流利用效率，同时降低MOS管的尺寸， 提出了非对称套筒式共源共栅结构。该结构原理图如图 1（c）所示。 

传统套筒式共源共栅结构对称性好，两侧MOS管的 尺寸相同。本设计采用非对称式套筒式共源共栅结构， 两侧MOS的尺寸为10:1，即差分输入对和负载的宽长比 的比值满足以下关系：

如果我们假设M15管和M14管的直流电位相等，I_D9 为尾电流源电流，则

因此

假设运放两端的差分输入小信号为V_X，Q点电压不变，电路工作点不发生变化，初始栅上电压为V₀，输出 小信号电压为V_Y。根据基尔霍夫电流定律，我们有小信 号电流I_m15+I_m14=0，即：

因为M15的尺寸是M14的10倍，g_m15=10g_m14， 因而：

即：

M15、M14两端的小信号电压分别为V_X/11、10 V_X/11，M14管产生的小信号电流为（10/11）*V_Xgm14， 10倍电流镜复制的小信号电流为（10/11）*V_Xgm14*10， M15管的小信号电流为（1/11）*V_Xgm15，则运放的直流 增益为：

增益带宽积为：

本次设计采用非对称套筒式，其反相端与负载的尺 寸是同相端与负载尺寸的10倍。流过决定输入跨导的输 入管M15的电流为10 I_D9/11，电流利用效率为10/11接近 单端放大器，高于传统套筒式的1/2。 

可以看出套筒式共源共栅的增益取决于输出一侧输 入管的尺寸和电流，同时输入跨导也取决于输出一侧的 输入管。

3  仿真结果 

采用0.5 μm的BCD工艺，设计了非对称套筒式共源 共栅放大器。基于Cadence Spectre仿真器对传统套筒式 共源共栅和非对称套筒式共源共栅进行STB仿真^[6]，负 载电容设置为50 nF，频率响应的幅频特性曲线如图2所 示。可以明显地看出传统套筒式共源共栅结构和非对称 套筒式共源共栅结构幅频特性曲线的区别。传统套筒式 共源共栅结构的幅频特性为曲线①，其单位增益带宽约 为5.1 kHz，采用非对称式套筒式共源共栅结构的幅频特性为曲线②，其单位增益带宽约为50.9 kHz。仿真结 果与计算相符，非对称套筒式共源共栅放大器的带宽是 传统套筒式共源共栅放大器的10倍。运算放大器的输入 跨导取决于输出端支路，验证了上面的计算。

4  结论 

本文分析了传统套筒式共源共栅结构的小信号工作原 理及其电流效率较低的问题，提出了非对称套筒式共源共 栅结构，计算并验证运放的跨导与带宽取决于输出一侧的 输入管的尺寸和漏电流。该结构充分地利用了差分对的尾 电流，与同等带宽的传统共源共栅放大器相比，非对称式 结构中对跨导和带宽没有贡献的放大器可以采用较小的尺 寸和电流，有着更低的电流消耗和更小的版图面积。本文 采用0.5 μm的BCD工艺设计了一款非对称套筒式共源共栅 放大器，并与传统套筒式共源共栅放大器做对比。通过计 算与仿真验证可以得出，非对称套筒式共源共栅结构具有 更高的电流利用效率，更低的电流消耗以及更小的版图面 积，可广泛应用于放大器电路中。

参考文献： 

[1] 毕查德+拉扎维(RAZAVI B). 模拟CMOS集成电路设计[M].西 安:西安交通大学出版社, 2003. 

[2] SANSEN W M C. Analog design essentials[M]. Springer, 2006. 

[3] ALLEN P E,HOLBERG D R. CMOS模拟集成电路设计[M]. 冯军,译.北京：电子工业出版社, 2007. 

[4] 林康-莫莱.模拟集成电路设计[M].陈晓飞,邹望辉,刘政林,等,译. 北京:机械工业出版社, 2016. 

[5] 邱关源.电路.第5版[M]. 北京:高等教育出版社, 2006. 

[6] 何乐年,王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京: 科学出版社, 2008.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第47页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。