一種改進的增益增強共源共柵放大器的設計

摘要：設計了一種適用于流水線A／D轉換器的全差分跨導放大器，通過采用單端放大器的增益增強方法，使運算放大器即具有較高的直流增益，又有較小的面積及較好的版圖匹配性。通過對普通開關定容共模負反饋電路的改進，改善了建立時間減小了放大器輸出共模的抖動。電路采用SMIC 0．18μm CMOS工藝，并在Cadence下對電路及版圖進行了仿真，結果表明：小信號低頻電壓增益119．3 dB；單位增益帶寬378．1 MHz；相位裕度60°。
關鍵詞：流水線ADC；增益增強；跨導放大器；開關電容共模負反饋；版圖

0 引言
隨著集成電路技術的不斷發展，高性能的運算放大器廣泛應用于各種電路系統中，它成為模擬和混合信號集成電路設計的核心單元電路，其性能直接影響電路系統的整體性能。作為現代模擬集成電路的一個重要部分，A／D轉換器隨著集成電路技術的發展而發展。隨著數字無線電等理論的提出，高速高精度模數轉換器成為人們研究的目標，而這也為運算放大器提出了更高的要求。在傳統結構越來越限制放大器指標的時候，Bult．K．提出的增益增強結構能夠在不影響帶寬的前提下有效地提高運放的開環增益，使得設計高性能放大器變的更加容易。
本文設計了一種采用增益增強結構的帶開關電容共模反饋的折疊式共源共柵跨導運算放大器，可用于流水線結構的A／D中。出于對性能及版圖因素的考慮，采用了單端放大器作為增益提高輔助放大器。并通過改進共模負反饋電路，使得放大器輸出共模反饋電壓穩定更快，抖動更小。本設計在Cadence環境下對運放的電路和版圖進行了仿真。結果表明，放大器的各項性能參數達到了理想的效果。

1 電路結構的分析與設計
CMOS跨導運算放大器常用結構有兩級放大結構、套筒結構和折疊共源共柵結構等形式。兩級放大結構的運放電路結構雖然具有高增益、高擺幅等優點，但由于每一級至少引入一個極點，為了保障整個放大器的相頻特性滿足要求，需要額外的頻率補償電路，從而提升了放大器的電流和功耗，限制了放大器帶寬，同時降低了放大器速度，因此不能滿足本設計中對于運放帶寬和速度的要求。套筒式結構雖然具有較高的增益、較好頻率特性及較低功耗，但是受到結構限制，其輸出擺幅和共模輸入范圍小，不滿足設計要求。折疊式共源共柵結構針對套筒結構輸出擺幅小的缺點進行改進，通過增加電路支數，提高功耗，在提供較高的增益前提下，又滿足了大帶寬、高擺幅和高速的要求。通過對折疊共源共柵結構應用增益增強技術，可以在不影響信號帶寬、壓擺率和相位特性的情況下進一步提高電路直流增益。因此，針對本設計的特殊要求，選取了應用增益增強技術的折疊式共源共柵結構。
1．1 主運放電路
本文設計的折疊共源共柵運算放大器如圖1所示。M0，M1為差分輸入對管；M2為差分對管恒流源；M4，M5為電流源；M6，M7為共柵管；M8，M10，M58，M59為共源共柵電流源負載。由于NMOS管的載流子遷移率更高，采用NMOS管作差分輸入級可提高運放增益和帶寬。