一種高電流效率套筒式共源共柵運算放大器的設計

鮑占營

摘要：本文提出了一種非對稱套筒式共源共柵放大器。同傳統(tǒng)對稱套筒式共源共柵運算放大器相比，在相同的帶寬和輸入跨導情況下，非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)具有更高的電流利用效率，該結(jié)構(gòu)能夠減小放大器的尺寸和功耗，同時不影響放大器的增益和輸出擺幅。基于cadence spectre對電路進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明，非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)具有接近單端放大器的電流利用效率。

關(guān)鍵詞：非對稱;套筒式共源共柵放大器;帶寬;跨導

0引言

放大器是最重要的集成電路之一，可以追溯到真空管時代。由于放大器具有很多有用的特性，所以已經(jīng)成為當代高性能模擬電路和混合信號的主要選擇。工作于負反饋狀態(tài)的放大器是模擬電路的基本單元之一，廣泛應用于模擬電路，例如ADC、儀表放大器、誤差放大器等。

放大器可分為單端放大器與差分放大器。單端放大器結(jié)構(gòu)簡單，電流效率高，易于計算和使用，但無法完成差分信號的處理。差分放大器處理差分信號，有更高的電源噪聲抑制比和更大的輸出擺幅，但是相比于同類單端放大器有著更高的功耗和面積。共源共柵運放增益較高、結(jié)構(gòu)簡單、計算方便，是常用的差分放大器。共源共柵運放有套筒式和折疊式兩種，折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)共模輸入范圍較高，但是多了輸入對支路，有更多的電流消耗，電流利用效率較低。套筒式共源共柵輸入共模范圍較低，但是省了額外的輸入對支路，相比于折疊式共源共柵有更高的電流效率。

1單端放大器與傳統(tǒng)套筒式共源共棚結(jié)構(gòu)分析

1.1單端放大器

單端放大器以電阻負載的共源極為例，如圖1（a），M1為輸入管，電阻RD為負載電阻，c1為負載電容，共源放大器工作原理簡單，可以直接寫出它的增益和增益帶寬積。

由此可見，共源放大器所消耗的電流對放大器的增益帶寬積都有貢獻，可以認為放大器所消耗的1倍的電流貢獻了1倍的帶寬。

1.2傳統(tǒng)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，M7、M8為NMOs差分輸入對，M3、M5和M4、M6為共源共柵負載。其中左右輸入對管和負載管尺寸個數(shù)完全相同，為對稱式結(jié)構(gòu)，其跨導為gm7，8，增益為：

套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)是常見的運放結(jié)構(gòu)，這里直接分析穩(wěn)態(tài)時小信號壓差加在輸入對兩端時的小信號工作狀態(tài)。當套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)兩輸入端有小信號電壓vx變化時，假設Q點電壓不變，電路工作點不發(fā)生變化，初始柵上電壓為vo。假設其中反相端小信號電壓升高，同相端小信號電壓降低，那么M7中的小信號電流向上，M8中的小信號電流向下。但此時Q點電壓不變，因此，根據(jù)基爾霍夫電流定律，我們有小信號電流Im7+Im8=0，即

套筒式共源共柵放大器結(jié)構(gòu)簡單，有很好的對稱性，可以直接寫出放大器的增益，但是流過差分對的2倍電流只貢獻了1倍的輸入級跨導與帶寬，另1個對跨導與帶寬不做貢獻的輸入管M8與負載M4、M6起到反饋與復制電流的作用，與單端放大器相比，流過決定輸入跨導的MOS管的電流為尾電流ID2的一半，電流利用效率只有單端放大器的1/2，浪費了電流與芯片面積，電流與版圖利用效率一般。

2非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)

為了提高電流利用效率，同時降低MOS管的尺寸，提出了非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)原理圖如圖1（c）所示。

傳統(tǒng)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)對稱性好，兩俱0MOS管的尺寸相同。本設計采用非對稱式套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)，兩俱OMOs的尺寸為10：1，即差分輸入對和負載的寬長比的比值滿足以下關(guān)系：

本次設計采用非對稱套筒式，其反相端與負載的尺寸是同相端與負載尺寸的10倍。流過決定輸入跨導的輸入管M15的電流為10ID9/11，電流利用效率為10/11接近單端放大器，高于傳統(tǒng)套筒式的1/2。

可以看出套筒式共源共柵的增益取決于輸出一俱輸入管的尺寸和電流，同時輸入跨導也取決于輸出一側(cè)的輸入管。

3仿真結(jié)果

采用0.5pm的BCDI藝，設計了非對稱套筒式共源共柵放大器。基于Cadence Spectre仿真器對傳統(tǒng)套筒式共源共柵和非對稱套筒式共源共柵進行STB仿真，負載電容設置為50nF，頻率響應的幅頻特性曲線如圖2所示。可以明顯地看出傳統(tǒng)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)和非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)幅頻特性曲線的區(qū)別。傳統(tǒng)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)的幅頻特性為曲線①，其單位增益帶寬約為5.1kHz，采用非對稱式套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)的幅頻特性為曲線②，其單位增益帶寬約為50.9kHz。仿真結(jié)果與計算相符，非對稱套筒式共源共柵放大器的帶寬是傳統(tǒng)套筒式共源共柵放大器的10倍。運算放大器的輸入跨導取決于輸出端支路，驗證了上面的計算。

4結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)的小信號工作原理及其電流效率較低的問題，提出了非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)，計算并驗證運放的跨導與帶寬取決于輸出—側(cè)的輸入管的尺寸和漏電流。該結(jié)構(gòu)充分地利用了差分對的尾電流，與同等帶寬的傳統(tǒng)共源共柵放大器相比，非對稱式結(jié)構(gòu)中對跨導和帶寬沒有貢獻的放大器可以采用較小的尺寸和電流，有著更低的電流消耗和更小的版圖面積。本文采用0.5um的BCDI藝設計了一款非對稱套筒式共源共柵放大器，并與傳統(tǒng)套筒式共源共柵放大器做對比。通過計算與仿真驗證可以得出，非對稱套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)具有更高的電流利用效率，更低的電流消耗以及更小的版圖面積，可廣泛應用于放大器電路中。