1 引 言
運(yùn)算放大器是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)完整部分，伴隨著每一代CMOS 工藝,，由于電源電壓和晶體管溝道長(zhǎng)度的減小,，為運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)不斷提出新的挑戰(zhàn)。在采樣保持電路的設(shè)計(jì)中,，運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的模塊之一,，其帶寬，擺率,，增益,，噪聲，失調(diào)等性能直接決定了采樣保持電路模塊的速度,，精度等性能,。
電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 折疊共源共柵運(yùn)算放大器
運(yùn)算放大器采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu),，采用NMOS 輸入差分對(duì)MN1 和MN2,。MN0 為輸入差分對(duì)的尾電流源，向MN1 和MN2 提供直流偏置,。MP1 和MP2 為電流源,，向輸入管和共源共柵管提供直流偏置。MP3 和MP4 為共源共柵管,，用來提高運(yùn)算放大器的增益,。MN3，MN4,，MN5 和MN6 是共源共柵電流鏡負(fù)載,，采用共源共柵結(jié)構(gòu)可以提高輸出阻抗。
與套筒式結(jié)構(gòu)相比,，折疊共源共柵結(jié)構(gòu)放大器輸出擺幅增大了一個(gè)過驅(qū)動(dòng)電壓,，另外較大的共模輸入范圍是我們選擇折疊共源共柵結(jié)構(gòu)的主要原因。
3 開關(guān)電容共模反饋（CMFB）電路
由于采用全差分結(jié)構(gòu),，而在高增益的全差分運(yùn)算放大器中,，輸出共模電平對(duì)器件的特性和適配相當(dāng)敏感，而且不能通過差模反饋來達(dá)到穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)時(shí)增加了共模反饋電路模塊,，來穩(wěn)定輸出共模電平,。共模反饋電路如圖2 所示。共模反饋電路與主運(yùn)放的連接如圖1 所示,。
圖 2 共模反饋電路
該結(jié)構(gòu)與電阻檢測(cè)方式,，運(yùn)用MOSFET 作為源級(jí)跟隨器和可變電阻的檢測(cè)技術(shù)相比有明顯優(yōu)點(diǎn)。其工作流程如下,，時(shí)鐘信號(hào)在Φ1 相位時(shí),，為C1 充電，確定C1 兩端的電壓,，在Φ2 相位時(shí),，將C1 與C2 并聯(lián)，根據(jù)Vo1 和Vo2 平均值的大小確定輸出共模電平,。例如,，（Vo1+Vo2）/2>VREF，則輸出共模電平cmctl bias v > v ,，從而使尾電流減小,，最終導(dǎo)致輸出（Vo1+Vo2）/2 減小，連續(xù)幾個(gè)周期調(diào)整后,，將使（Vo1+Vo2）/2≈Vref,。從而達(dá)到控制輸出共模電平的目的。
4 偏置電路
如圖3 為放大器的偏置電路,。MN1,，MN2 及MN1，MN3 組成NMOS 電流鏡,，2,，3 支路將鏡像1 支路的電流，MP3,，MP4 組成PMOS 電流鏡,，這樣，4 支路的電流將鏡像自3 支路,。MP2，MP1,，MN4,，MN5 采用二極管連接方式，以提供主放所需要的偏置,，1 支路所用電流源,，在電路設(shè)計(jì)中已替換成溝道長(zhǎng)度L 較大（可以提供高阻抗）的管，調(diào)整此PMOS 管的尺寸可以調(diào)整偏置電流，進(jìn)而控制運(yùn)放的增益,，帶寬及擺率等特性,。
圖 3 運(yùn)算放大器的偏置電路
5 仿真驗(yàn)證
5.1 放大器的AC 特性分析
采用Cadence Spectre 仿真工具，CSMC0.6um 工藝模型進(jìn)行仿真,。得到如圖4 的仿真結(jié)果,。
圖4 放大器AC 特性曲線
從而可以得到運(yùn)算放大器的AC 特性，可以看出運(yùn)算放大器是穩(wěn)定的,。
5.2 放大器的瞬態(tài)特性驗(yàn)證
在輸入端加階躍信號(hào)圖,，得到放大器瞬態(tài)特性驗(yàn)證結(jié)果曲線，如圖5 所示,。其中,，圖中上半部分兩條曲線為輸入差分信號(hào)（方波信號(hào)），下半部分兩條曲線為輸出信號(hào),。從而可以確定放大器的瞬態(tài)特性如表2所示,。
圖 5 放大器瞬態(tài)特性曲線
表放大器的瞬態(tài)特性
6 結(jié)論
在5V 電源電壓下，基于CSMC0.6um 工藝模型,，驅(qū)動(dòng)1pF 負(fù)載時(shí),，運(yùn)算放大器功耗為6.2mW，開環(huán)增益70dB,，帶寬54MHz,，相位裕度77，擺率15V/us,，建立時(shí)間95ns,。可用于采樣保持電路中,。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu),、開關(guān)電容共模反饋電路以及低壓寬擺幅偏置電路，實(shí)現(xiàn)了在高穩(wěn)定下的高增益,、大輸出擺幅和較大的共模輸入范圍,。