全差分套筒式运算放大器设计

全差分套筒式运算放大器设计1、设计内容本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜像电流源作为偏置。为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈及二级放大电路。本设计所用到的器件均采用SMIC0.18µm的工艺库。2、设计要求及工艺参数本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示：表1放大器设计指标ParameterSpecificationVDD1.8VPWR10mWOutputSwing=3VDCGain60dBPM45degwhenCL=2pF表2工艺参数参数数值N18μn0.034m2/v/sTox3.87e-9mVth00.39VP18μp0.0086m2/v/sTox3.74e-9mVth0-0.402V3、放大器设计3.1全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路图1全差分套筒式放大器拓扑结构图2最终电路图3.2设计过程在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完全一样，即两管子所有参数均相同。Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3+gmb3）ro2倍。但同时降低了输出电压摆幅。为了提高摆幅，控制增益，在套筒式差分放大器输出端增加二级放大。本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。设计要求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。𝐼𝐷=12𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿(𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑇𝐻)2(1+𝜆𝑉𝐷𝑆)(1)其中，𝐶𝑜𝑥等于ε/𝑡𝑜𝑥，𝜇𝑛和𝑡𝑜𝑥可以从工艺库中查找。4、仿真结果经过调试优化之后的仿真结果如以下各图所示：图3增益及相位裕度从图中可以看出，本设计的低频增益达到了74.25dB，达到了预期要求。3dB带宽为35kHz左右，比较小，可见设计还有改进的余地。当CL为2pF时，相位裕度：PM=180°+∠βH(ω)=180°−125.5°=54.5°电源电压为1.8V时，输出摆幅如下图所示，达到了3V。图4输出摆幅整个电路的直流功耗为5.43mW。图6直流功耗5、小结本次设计初步实现了放大器的基本功能，但也有很多缺陷。由于对套筒式差分放大器的理解不够深刻，导致初期仿真时一直出不来结果。经老师点拨才知道要实现高增益差动电路必须加共模反馈。在设计中发现，自己算出的MOS管的宽长比在实际仿真时有很大的误差，导致放大倍数非常小，自己设计反馈电路后，虽然增益达到了600-700，但出现了振荡效应。后来参考了一些文献，采用了文献中的成功案例。但带宽仍然不高，我们会在下面的进一步学习中改进。