高性能運算放大器研究與設計

劉 萌

（1.貴州大學電子科學系，貴州 貴陽550025；2.貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室，貴州 貴陽550025）

0 引言

運算放大器是模擬系統或者數模混合信號系統的一個重要部分，在很多領域中涉及到運算放大器的應用[1]，包括有源濾波器、采樣保持電路、模數轉換器、波形發生器等等。各種機構與復雜性各異的運放來實現各種各樣的功能[2]：從產生偏置到濾波或放大。增益和穩定性[3]是運算放大器的兩大重要因素，而這兩方面的因素是由運放電路結構決定的。對這兩方面的優化是互相制約的，通過多級級聯可以獲得較高的放大倍數，但是多級運放實現高增益的同時，由引入了多個極點。使得運放的穩定性顯著惡化。通過在輸入與輸出間添加補償電容和調零電阻的方法可以對單位增益帶寬和相位特性進行調節[4]。本電路在第二級的輸入與輸出間增加了補償電容和電阻構成的RC密勒補償。補償電容用來調節電路的極點，進而調節增益帶寬。補償電阻用來調節電路的零點，從而調節相位特性。

1 電路實現

圖1給出的CMOS二級運算放大器的結構電路圖。主要包括了以下幾個部分：偏置電路、輸入級放大電路、二級放大電路、補償電路。

圖1 運算放大器電路結構

偏置電路由M8-M13晶體管和電阻R1組成。M8和M9參數相同，是一對匹配的pmos鏡像電流源。通過在M12上串聯電阻R1，使的晶體管M12和M13失配。電阻R1決定了偏置電流I1的大小。M11與M13接為二極管形式，為cascode連接的M10提供偏置電壓，這種cascode結構減小了溝道長度調制效應造成的電流誤差。

圖2 電路等效模型

由于鏡像電流源M8和M9的作用，M12與M13通過的電流是相等的I1.可得

又由電路結構可得

可以得到偏置電流為

從上式中可以看到，I1僅與電阻R1阻值和晶體管M12和M13的尺寸有關，不受電源電壓的影響。因而可以通過調節電阻R1和晶體管M12和M13的尺寸來調節偏置電流的大小。每個晶體管的Gm都正比于因為可以通過I1求出每個晶體管的跨導。

輸入級放大電路由M1-M5組成。其中M5為輸入級提供穩定的偏置電流。而M1和M2是一組差分輸入對，相比單端輸入可以有效地抑制共模信號干擾。M3和M4作為有源負載。輸出級由M6、M7組成。M6是共源放大結構，M7提供偏置電流也作為第二級的輸出負載。相位補償電路由電阻R0和電容Cc構成。跨接在輸出級的輸入和輸出之間。繪制電路的簡單的等效模型如圖2。

圖中兩級都是互導放大器，第一級電壓增益為：

第二級位：

所以總的放大倍數估計為：

由等效電路可以得到兩個KCL等式

可得電路的傳輸函數為

在第二級的輸入和Cc之間串聯串接一個電阻,可以通過調節阻值的大小來實現調節零點的作用。串聯后系統函數的極點不發生變化，零點變為

通常將零點移動到略大于單位增益帶寬的地方，以獲得足夠大的相位裕度，確保電路穩定。

2 仿真結果

圖3給出了用cadence中的spectre仿真的幅頻和相頻特性。可以看到仿真結果和理論基本吻合，增益能達到81.29dB，相位裕度達到64度。單位增益帶寬26.74MHz。

3 結束語

圖3 幅頻和相頻特性圖

本文設計了采用米勒補償的二級運算放大器，即在輸出級和輸入級間串聯補償電容和電阻。即提高了增益，又增加了運算放大器的單位增益帶寬，同時保證了相位裕度在60度以上，保證了電路的穩定。

［1］易清明,張靜,石敏.低功耗CMOS集成運算放大器的研究與設計[J].微電子學,2007,03:414-416+420.

［2］李建中,湯小虎,魏同立.一種低電壓CMOS折疊-共源共柵跨導運算放大器的設計[J].微電子學,2005,04:412-415.

［3］柳遜,閆娜,吳曉鐵,程君俠.一種高性能運算放大器的設計[J].微電子學與計算機,2005,06:28-30+33.

［4］Behzad Razavi．Design of Analog CMOSIntegrated Circuits[M]．西安交通大學出版社,2002,12:141-143．