0.6μm CMOS工艺折叠共源共栅运算放大器设计

第３５卷第３期　华北电力大学学报　Ｖｏ１．３５。Ｎｏ．３　２００８年５月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｍａｙ，２００８　０．６　ｍ　ＣＭＯＳ工艺折叠共源共栅运算放大器设计　罗产本，马海杰　（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１００３）　摘要：折叠共源共栅结构改进了传统的两级运算放大器的输入范围和电源电压抑制特性，优化了二阶性能指　标。利用ｍＯｄｓ　０．６　ＣＭＯＳ工艺模型参数，设计了折叠共源共栅结构的运算放大器，对各性能参数的仿真　结果表明：该电路的开环增益为８０　ｄＲ，单位增益带宽为２０　ＭＨｚ，相位裕度７３。，功耗仅为３　ｍｗ。　关键词：运算放大器；折叠共源共栅；ＣＭＯＳ工艺　中图分类号：ＴＮ４３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—２６９１（２００８）０３—０１０３—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｏｌｄｅｄ－ｃａｓｃｏｄｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｗｉｔｈ　０．６ＩＪＬｍ　ＣＭＯＳ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ＬＵＯ　Ｇｕａｎｇ—ｘｉａｏ，ＭＡ　Ｈａｉ－ｊｉｅ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｃｅｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏａｈ　Ｃｈｉａｎ　Ｅｌｃｅｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｓｃｏｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒａｎｇｅ　ａｎｄ　ＰＳＲＲ，ｃｏｍ—　ｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｃａｌ　ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ　ｏｐ　ａｍｐ，ａｎｄ　ｅｎａｂｌｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｒ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｓｏｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ—ｏｒｄｅｒ　ｐｅｒ｛ｏｒ—　ｍａｎｃｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ａ　ｆｏｌｄｅｄ—ｃａｓｃｏｄｅ　ｏｐ　ａｍｐ　Ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｗｉｔｈ　ｍｅｓｉＳ　０．６ｔｍａ　ＣＭＯＳ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｕｉｔｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＳｍａｒｔＳｐｉｃｅ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｅｎ—ｌｏｏｐ　ｇａｉｎ　ｉｓ　８１　ｄＢ，ｔｈｅ　ｕｎｉｔ—ｇａｉｎ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｉｓ　２０　，ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｍａｒｇｉｎ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　７３。．ｔｈｅ　ｄｉ￣ｉｐａｔｉｏｎ　ｉＳ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　３　ｍＷ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｆｏｌｄｅｄ—ｅａｓｃｏｄｅ；ＣＭＯＳ　ｐｒｏｃｅｓｓ　０　引　言　成电路的ＣＭＯＳ工艺设计模拟集成电路已经较为　普遍，并且ＣＭＯＳ模拟电路的设计也为ＳｏＣ片　集成运算放大器，实质上是一种高电压增　上系统中模数混合电路的设计提供了保障。　益、高输入电阻、低输出电阻的多级直流耦合放　大器，是用半导体集成工艺，将运算放大器中的　１　集成运放的基本结构　电阻、电容、晶体管或场效应管等元器件制作在　ＣＭＯＳ工艺运算放大器通常用电流源作有源　同一块硅片上，集合而成一块完整的放大电路，　负载代替无源元件（电阻），这样使它具有较高　简称为集成运放。集成运放有很多种，按用途　的电压增益，但同时也造成输出电阻大，带负载　分，有通用型和专用型两种：前者各项性能指标　能力差的缺点。但是在多数情况下，ＣＭＯＳ工艺　都较均衡，可用于各种一般性场合；后者在某一　运算放大器所带负载是同类ＣＭＯＳ电路，ＣＭＯＳ　项指标上特别侧重，适用于对该项指标要求特高　电路的输入电阻大（可达１０加～ｌ０　Ｑ），并且多　的专用场合。　数ＣＭＯＳ运放主要用作ＬＳＩ电路的片上电路，只　集成运放按工艺分，则有双极型集成运放、　需带几ｐＦ的小电容负载的能力即可，有的输入　ＣＭＯＳ集成运放、ＢｉＣＭＯＳ集成运放和ＪＦＥＴ型　级甚至无需弓ｊ出外线，所以也不需要专门设计输　集成运放等。由于价格上的优势，用针对数字集　入保护电路ｌ　＇引。　收稿日期：２００７．０７．０３．　目前，集成运算放大器设计中主要的两种电　基金项目：华北电力大学青年教师基金项资助项目　路是两级运算放大器和折叠共源共栅放大器。两　（２００６１１０３１）．　级运算放大器是目前最广泛应用的ＣＭＯＳ放大器　维普资讯 http://www.cqvip.com

华北电力大学学报　２００８钲　之一，但是其增益不够大，并且对运算放大器的　电压的转换；Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｒ１部分主要为　高阶极点较难控制，从而引起其稳定的带宽受限　电路各部分提供标准偏置。　制＿３］。而为了改善频率特性，引入米勒补偿又会　ｖｄ（１　带来电源抑制比性能的降低。折叠共源共栅结构　改进了两级运算放大器的输入范围和电源电压抑　制特性，其优点之一是它有一个推挽输出，也就　是说，运算放大器可以灵活的从负载得到电流或　向负载提供电流，而两级运算放大器的输出级是　甲类放大器，其流入或流出电流能力是固定　的［４ｌ　２折叠共源共栅结构　由于折叠共源共栅结构的运算放大器在各方　面性能都具有优势，选用下面的改进结构进行设　Ｖｓｓ　计，如图ｌ所示。Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３组成经典的差　图１　共源共栅运放电路结构　分放大，作为电路的输入级，抑制电路中漂移、　Ｆｉｇ．１　Ｆｏｌｄｅｄ　ｃａｓｃａｄｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｅｉｒｅｕｌｔ　噪声或不稳定对整个电路的影响，实现输入电压　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　到电流的转换；Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７组成电流　采用上面的小信号模型研究以上电路的动态　级，实现电流到电流的转换；Ｍ８，Ｍ９，Ｍ１０，　特性，如图２，经过推导得小信号电压传递函数　Ｍ１ｌ，ｔＬ２组成共源共栅电流镜负载，完成电流到　如下：　鲁　６　６　ｇｉｎ７￣ｓＴ　厂＜　图２　电路的小信号模型　Ｆｉｇ．２　Ｓｍａｌｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃｉｕｅｕｉｔ　ｎｖｄ　ｍ　（　＋　Ｒｕ　根据现有的设计方法和电路模型［３～８Ｉ，用小　信号分析方法进行电路参数设计，采用Ｍｏｓｉｓ提　（＼　２＋２走／）ｇ　ｕｍｌＲｕ　供的０．６　ｍ两层金属、两层多晶硅、双阱　式中：　ＣＭＯＳ工艺模型参数进行设计，采用＋２．５，　２．５　Ｖ双电源电压，负载电容选１０　ｐＦ。　是：　ｇｎ１７ｒｄｓ７　，其中Ｒ９：ｇｎ１……ｑ　……　、Ｉ１　Ｒｉｊ，￣ｇ　Ｙｄｓ９Ｙｄｓ１１　ｌｌ［ｇｎ订ｒｄ　（ｒｄｓ２　ｌ　ｌｒｄｓ５）］　３　电路仿真结果　折叠共源共栅运算放大器的频率响应主要由　输出极点确定，输出极点为　采用ＳｍａｒｔＳｐｉｃｅ电路仿真工具，利用　１　０．６＞ｍＣＭＯＳ工艺模型参数，ＭＯＳ管采用　９ＯＵｔ－－Ｒ——　ｔ　￣　Ｃ—。—ｏｕｔ　Ｅ．ＩＭ３Ｖ３模型，根据菲利普・艾伦提出的测试　式中：Ｃ。　是从运算放大器的输出节点到地的所　法［　，在负载为１０　ｐＦ情况下对电路进行开环和　有申　容　闭环仿真，各部分参数分析结果见表１。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　罗广孝，等：０．６ｇｍ　ＣＭＯＳ工艺折叠共源共栅运算放大器设计　１０５　表１　电路中各器件参数值　Ｔａｂ．１　Ｄｅｖｉｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　注：电路中的Ｒ１、Ｒ２取２．５　ｋｌ２。　对电路进行开环仿真，如图３所示，仿真开　环电压增益超过８０　ｄＢ（１０　０００　Ｖ／Ｖ），单位增益　带宽ＧＢ为２０　ＭＨｚ，１０　ｐＦ负载的相位裕量大于　７３。。图４显示开环输出电压摆幅为一２～１．５　Ｖ。　对电路进行闭环仿真测试，将反相端和输出端短　接，从图５中，可看出输入共模范围ＩＣＭＲ为　一１．５～２．５　Ｖ　图３开环传递函数频率响应　Ｆｉｇ．３　Ｏｐｅｎ—ｌｏｏｐ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　２　１　＞　蓦　。　镰一ｌ　一２　—．６－４—．２　０　２　４　输出电压，ｖ　图４开环传输特性　Ｆｉｇ．４　Ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　＞　宙　脚　Ｈ　图５输入共模范围　Ｆｉｇ．５　Ｉｎｐｕｔ　ｃｏｎｌｌｎｏｎ　ｍｏｄｅ　ｒａｎｇｅ　大信号和小信号瞬态响应分别将一个２　ｖ和　０。２　Ｖ脉冲作用到单位增益结构所决定，结果如　图６，响应信号相对于输入信号正、负摆率都接　近２０　Ｖ／ｕｓ。总的仿真结果如下表２所示。　之　出　篓　。　擦　１　．　一０　２　４　ｔｌｓ　（ａ）大信号　０．１　＞　脚０．０　媾　图６瞬态响应　Ｆｉｇ．６　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　表２性能参数仿真结果　Ｔａｂ．２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com １Ｏ６　华北电力大学学报　２００８篮　路设计、布局与仿真［Ｍ］．北京：机械工业出版　４　结　论　设计中往往需要对增益、相位裕度、摆幅、　社，２００６．　『５］Ｐｏｗｅｒ刚ｋ，Ｋｌｅｉｎｅ　Ｕｌｉｒｃｈ．Ａ　ｎｏｖｄ　ｃｌａｓｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅ—　ｍｅｍｔａｒｙ　ｆｏｌｄ　ｃａｓｃｏｄｅｄ　ｏｐａｍｐｓ　ｆｏｒ　ｌｏｗ　ｖｄｔａｇｅ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄ　Ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ，２００２，３７（８）：　１０８０—１０９３．　功耗、摆率等性能参数进行折中考虑，本文利用　Ｍｏｓｉｓ提供的０．６　ＣＭＯＳ工艺器件模型参数进　行电路设计，从ＳＰＩＣＥ仿真结果可以看出，设计　［６］Ｓｕｂｒａｍａｎｉａｍ　Ｐ　Ｃ，Ｍａｎｏｊ　Ｃ　Ｒ．Ｈｉｇｈ　ｓｌｅｗ—ｒａｔｅ　ｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒ　１７ｔｈ，　完成的折叠共源共栅放大器开环增益８０　ｄＢ、共　模输入范围大、相位裕度大于７Ｏ。、单位增益带　宽２０　ＭＨｚ、摆率较大，满足运算放大器指标，　能够在实际的设计中应用。　参考文献：　『１］Ｇａｒｙ　Ｐ　Ｒ．模拟集成电路的分析与设计［Ｍ］．北京：　高等教育出版社，２００５．　［２］Ｊｏｈｎｓ　Ｄ，Ｍａｒｔｉｎ　Ｋ．模拟集成电路设计［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，２００５．　［３］Ｒａｚａ￣Ｂ．模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ］．西安：　西安交通大学出版社，２００３．　［４］Ｒ　Ｊａｃｏｂ　Ｂａｋｅｒ，Ｈａｒｒｙ　Ｗ　Ｌｉ，Ｄａｖｉｄ　Ｅ　Ｂｏｙｃｅ．ｃＭ０ｓ电　２００３，３９（８）：６４０—６４２．　［７］ＧＮａｔｉｋ，Ｌｅｅ　ＨＳ．Ａ　ｈｉｇｈ　ｓｗｉｎｇ　ＣＭＯＳ　ｔｄｅｓｏｃｐｉｃ　ｏｐｅｒａ—　ｔｉｏｎ￣ａｍｐｌｉｆｉｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒ—　ｃｕｉｔ，１９９８，３３（１２）：２０１０—２０１９．　［８］Ｓａｃｋｉｎｇｅｒ，ＧｕｇｇｅｎｂｕＮ　Ｗ．Ａ　ｈｉｇｈ—ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　Ｍ０ｓ　ｃａｓｃ０ｄｅ　ｃｉｍｕｉｔ　ｌＪ］．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｇｒ—　ｃｕｉｔ．Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９９０，２５（１）：２８９—２９８．　［９］Ａｌｌｅｎ　Ｐ　Ｅ，ＨｏＮｅｒｇ　Ｄ　Ｒ．ｃＭ０ｓ模拟集成电路设计　（第二版）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２．　作者简介：罗广孝（１９７７一），男，华北电力大学电气与电　子工程学院讲师，研究方向为ＣＭＯＳ模拟集成电路设计，自动　化嵌入式技术。