1、中國集成電路 設計一種增益提升高速運算跨導放大器的設計桂林電子科技大學信息與通信學院研究室劉睿強景新幸張祥禎摘要：設計了用于高速高分辨率的全差分運算放大器，采用套筒式級聯(lián)增益自舉電路，達到高增益帶寬且低功耗。在電源電壓下，用工藝模型，通過軟件仿真平臺，驅動負載時，相位裕度為度，單位增益帶寬為，功耗，壓擺率。關鍵詞：套筒式共源共柵運算放大器；增益提升；共模反饋；模型參數(shù)提取中圖分類號：；文獻標識碼（，）：，：；引言運放拓樸結構的選擇隨著電子技術的進步，數(shù)字電視也得到了迅猛發(fā)展，其中數(shù)字編解碼芯片是它的關鍵部分，而模數(shù)轉換芯片（）又是視頻編解碼芯片的核心之一，也是其性能的主要限制之一。因此設計高性

2、能的模擬前端成為一種挑戰(zhàn)。本文設計了一種，根據的要求可以推算出運放的性能指標：采樣速率的中采樣保持電路的核心運算跨導放大器（）。據此可以選擇運放的拓樸結構，圖是目前常見的三種基本的運算放大器結構：其中圖（）是簡單的兩級運放，它具有大的：（總第期）設計中國集成電路輸出擺幅（，），但是頻率特性差，一般用電路原理分析增益倍增為了提高增益，在共源共柵結構上附加了輔助運算放大器（圖），從而提高其共源共柵效應，輔助運放放大倍數(shù)為，通過減小由輸出到輸入管漏極的反饋，輸出即增大倍，也即等效于（），是管跨導，與分別為、的輸出阻抗，因此電路的直流增益也增大同樣的倍數(shù)，（）法補償，使得相位裕度變小，從而電路穩(wěn)定性變

3、差。一種改進的補償方式是增加調零電阻（），但由于工藝的不穩(wěn)定性，難以得到精確的電阻值。圖（）是套筒式運放，整個電路可以看成是單極點系統(tǒng)，無需補償，因此頻率特性好，又因為它只有兩條主支路，因此功耗低，但輸入輸出擺幅小。圖（）是折疊式共源共柵結構，它改進了套筒式輸入輸出擺幅小的缺點，但存在四條主支路，功耗大且穩(wěn)定性變差。綜上所述我們結合圖（）（）的優(yōu)點，設計了全差分套筒式增益增強型運放低功耗等性能要求。（圖），它能滿足高增益帶寬、），同理對于圖中的套筒式主運放加上輔助運放（）（）圖三種基本運算放大器（）圖共模反饋圖套筒式增益增強型主運放（總第期 ）：中國集成電路設計大大降低了整個電路的功耗和面積。

4、頻率響應分析圖所示的全差分套筒式共源共柵運放，主極點在點，頻率為，次極點位于點或點，通常由于管的遷移率比管的遷移率低，因此它的過驅動電壓較大，導致寬長比比管大，也即點的電容比的電容大，可以認為點為次主極點，其中為管的跨導，圖偏置電路 主要包括管的柵源電容和管的柵漏電容。而主運放的單位增益頻率為，為管的跨導。當加入輔助運放時，附加的增益部分與管形成閉環(huán)，若附加增益部分速度太快，電路就可能變得不穩(wěn)定。又因為輔助運放增加了一對零極點，不好的設計會嚴重影響運放的建立特性。應使這對零極點相隔越近越好，且和主運放的單位增益頻率越遠越好，但要小于主運放的次主極點，即，其中是閉環(huán)反饋系數(shù)。圖 增益倍增共模反饋

5、共模反饋（）電路檢測的共模輸出（）和共模電壓的誤差。平衡時它們相等，這時，當輸出高于時，平衡被破壞，使流過，的電流增大，而、的電流減小，使的漏電流下降從而使的柵電壓（也即反饋電壓）下降，故的漏電流下降，而圖型輔助運放主運放、的電流不變，電流必須從電容負載流出，從而使輸出電壓下降。電路中三個運放采用同一個高擺幅偏置電路（圖），且其電流為主運放的后，其直流增益為（）（），式中，分別是輔助運放和的放大倍數(shù)）。對于圖中的主運放，型輔助運放用于推進管、，型輔助運放用于推進、，有利于降低功耗。主運放和輔助運放的設計方法對于套筒式共柵主運放，首先根據要求的最大輸出擺幅進行過驅動電壓分配及靜態(tài)工作點的設，輔助

6、運放采用折疊式結構，它不需要太快的速度和建立時間，因此其尾電路取為主運放的，：（總第期）設計中國集成電路置。由圖可得：，（），設輸出擺幅為，則，由于管，的遷移率低，給它們均分配的過驅動電壓，剩余再由閥值電壓公式的均分配給，各。仿真和驗證在軟件平臺下，采用公司的工藝模型，在電源電壓下，分別在，工藝條件下對所設計的運放進行了仿真，結果表明達到了設計性能要求。見表表仿真結果合理設置其偏置電壓，分別為：，。模型參數(shù)的提取開始電路設計時需要手工估算寬長比（），這可以根據管飽和電流公式（）（）（）得到，其中器件跨導參數(shù)，由于沒有晶圓廠提供的值，可由公式大致估算。其中為單位面積的氧!化層電容，為襯底摻雜濃度。為了驗證這個估算，可以實際仿真出管的特性曲線，利用飽和電流公式推算出和公式得出的值作比較，再取經驗值，同理可以估算管的跨導參數(shù)。其中寬長比用同樣的方法可以設計套筒式共源共柵主（）。運放。折疊式共源共柵輔