原创 带共模反馈的CMOS折叠式高增益运算放大器

摘　要:提出了一种单电源5V 供电的带共模反馈的两级折叠式运算放大器结构。折叠式运算放大器的输入共模反馈结构使输出共模电平维持在2.5 V 左右,增益可达到90 dB 以上,相位裕度为45°,同时增益带宽为33 MHz。

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关键词:共模反馈;高增益;折叠式运算放大器;CMOS 工艺

　　高性能的运算放大器是模拟集成电路和混合信号集成电路设计的核心单元电路。其性能直接影响电路及系统的整体性能,所以高性能运算放大器的设计一直是模拟集成电路设计研究的热点之一。在各种结构的运算放大器中,折叠共源共栅运算放大器结构因其具有输入共模范围广和输出电压摆幅较大的特点,获得了广泛的应用。

本文对CMOS 运算放大电路进行了研究,设计了一种带共模反馈的两级高增益折叠式运算放大器。Corner 仿真结果证明此电路性能稳定。

　两级运算放大器分析

折叠式共源共栅运算放大器的特点在于对电压电平的选择,因为它的输入管上端并不“层叠”一个共源共栅管,所以它的输入共模范围大。 由于电路固有的特点它可以输入输出短接作为单位增益缓冲器。 相对于单端的运算放大电路,全差分运算放大电路对环境噪声有更强的抑制能力。因此第1 级结构选择了全差分折叠式共源共栅结构,如图1 所示,其中bias<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />_{1 a} ,bias_{2 a} ,bias_{3 a} ,bias_{4 a}为由偏置电路提供的偏置电压,CMFB 为共模反馈电压,out _p1、out _n1为第1级的输出电压。

通过对图1 折叠式运算放大结构的小信号分析,得到折叠式共源共栅运算放大器的半边电路输出开路的等效电路如图2 所示。图1 ,2 中:

G、S、D 和B 分别指MOS 管的栅端、源端、漏端、衬底。 R_op为M₁ 和M₃ 的等效电阻:

R_op ≈ ( g_m3 + g_mb3 ) r_o1 r_o3 ,

则输出电阻

R_out ≈ R_op‖( ( g_m5 + g_mb5 ) r_o5 ( r_o9 ‖r_o7 ) ) 。

由此得出这种结构的放大倍数是

A _v1≈ g_m9 [ ( ( g_m5 + g_mb5 ) r_o5 ( r_o9‖r_o7 ) ) ‖( ( g_m3 + g_mb3 ) r_o1 r_o3 ) ] 。

同样采用小信号分析第2 级放大结构图3 , 其中CMbias 端与共模反馈比较器相连(图8) ,这里采用的是共源级放大结构。

小信号等效电路如图4 所示。 经过分析得到第2 级单端放大倍数是

A _v2 = - g_m13 r_o13 。

因此整个电路的放大倍数为第1 级与第2 级之积。故经过2 级后放大倍数为

A = A _v1 ?A _v2。

应用2 级放大结构主要是为改善共源共栅结构的输出摆幅小的缺点。 图3 中, C₃ 和C₄为密勒补偿电容,用来补偿相位裕度。

共模反馈结构

在高增益放大器中,输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感,而且不能通过差动反馈来达到稳定。 因此,必须增加共模反馈网络来检测2 个输出端的共模电平,并有根据地调节放大器的一个偏差电流。 一般的共模反馈结构如图5 所示。 将共模反馈的任务分为3 步。1) 检测输出V_out1 和V _out2的共模电平;2) 同一个参考电压V _ref比较;3) 将误差送回放大器偏置网络。

输出共模电平为

V _out ,_CM = ( V _out1 + V _out2 )/2 ,

其中: V _out1和V _out2是2 个单端输出端的电压。 如果应用电阻分压器结构(图6) ,则要求分压电阻R₁和R₂必须比运算放大器的输出阻抗大得多。而折叠式运算放大器具有高输出阻抗的特点,所以如果应用图6 的共模电平检测结构需要R₁和R₂相当大,并且还要求R₁ = R₂ ,这在实际实现上有很大的困难。

根据本电路特点本文提出另一种检测共模电平的结构,如图7 说明了这种结构的原理。

共模反馈电路并未使用传统的电阻或电容来读取共模电平,而是应用2 个单位增益缓冲器。这里应用了运算放大器的单位增益缓冲器的高输入电阻的特点,从而避免使用大电阻。这2 个单位增益缓冲器的增益越高,越理想,电压跟随性能越好。

参考电压的比较电路应用双端输入单端输出的比较器的结构,这里要求比较器的输出结果越小越好,以达到微调的目的。

共模反馈部分的完整电路图由图8 给出。应用此结构不仅可以保证运算放大器第1 级有稳定的共模电平,它同时也是第2 级放大电路的前馈电路网络,起到稳定后1 级输入共模电平的作用。

仿真结果

表1 为Corner 仿真结果,可以看出此电路在各种情况下性能稳定。

结束语

本文设计的是全差分折叠式带共模反馈的两级运算放大器,该电路充分应用了折叠式共源共栅结构电路高增益的特点,达到了90175 dB 的高增益,并且保证了稳定的相位裕度。 独特之处在于其共模反馈结构,不仅稳定了第1 级放大电路的共模电平,它还是第2 级电路的前馈结构,具有稳定电路性能的作用。Corner 仿真结果验证了这个电路性能稳定。