一款適用于高速讀出電路的輸出級運算放大器設計

張露漩,李敬國,袁 媛

(中電科光電科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

隨著現代科技發展,對集成電路的性能要求快速提高,其中,模擬集成電路中的CMOS運算放大器是大規模高速低功耗芯片中的重要核心模塊。其性能直接影響整體應用系統的關鍵指標。在紅外探測應用系統,運算放大器廣泛應用于不同模塊單元,如探測輸入級、數據處理中間級、輸出級和偏置電路等。模擬運放通常起到信號放大、高速輸出的作用。在追求這些性能的同時,穩定性、功耗和噪聲是設計時需要關注的重點。通常我們可以通過兩級運放的結構,并且引入彌勒補償的方式,實現調節運放整體的性能[1-2]。

本文設計了一款高性能的輸出級運算放大器,最高可工作于20 MHz工作頻率,負載電阻100 kΩ和電容25 pF。為了解決高工作頻率和大負載對運算放大器的擺率和功耗損失,設計折疊共源共柵差分運放作為一級運放,主要為電路提供高增益、高輸出阻抗,甲乙類共源推挽反向運放作為第二級運放,為電路負載提供大驅動電流,有效減小整體輸出級運放的功耗。

2 運算放大器設計

2.1 折疊共源共柵差分運放

如圖1中(I)所示,為兩級運放中的第一級運放折疊共源共柵差分運放。具有較高的輸出阻抗、較大的電壓輸出擺幅、增益高等優點,但有功耗、低電壓增益、低極點頻率和高噪聲的缺點[3]。

圖1 高性能的輸出級運算放大器

本文設計的折疊共源共柵差分運放,考慮到尾電流源的變化會影響運放的直流工作點及輸出工模電壓,設計了反饋偏置,可以實現在不降低其他性能的前提下,對折疊共源共柵由于工模輸入電壓的變化以及工藝匹配偏差造成的尾電流源的電流變化起到抑制作用,從而提高運放的共模抑制比CMRR。利用自偏壓互補折疊設計可以減少外部偏壓數量,提高輸出擺幅和開環增益。降低由于更多外部輸入偏壓導致的噪聲和串擾影響。

差分輸入管NMOS管M1和M2在尾電流源M3提供的固定偏置電流作用下,將差分輸入電壓轉化為差分電流,經過由M4、M5和M10、M11組成的兩個電流鏡實現雙端到單端的轉換,輸出OUT1給下一級電路。M6～M9用來獲得更高的電壓輸出擺幅。在設計時,需要注意的是,I4和I5的值通常設在I3到2I3之間,以此來保證共源共柵電流鏡的直流電流I6,I7不為零。

2.2 甲乙類推挽反相運放

如圖1中(Ⅱ)所示,為兩級運放中的第二級運放甲乙類推挽反相運放,對第二級運放的設計要求為:具有較強的帶負載能力、高電壓電流轉換效率,可以靈活地從負載得到電流或者向負載提供電流,實現高電流增益,驅動大負載[4-5]。

甲乙類推挽反相運放M16的柵偏壓決定于一級運放輸出電壓OUT1和電源電壓VDD的差值；M17的柵偏壓決定于M15的漏端電壓。適當選取M16和M17的偏壓來保證電路工作在甲乙類。當輸入電壓OUT1正向變化時,M15的電流增加,其漏端電壓也正向變化,M17的電流增加,輸出電壓OUT電壓向負方向變化。同時,M16的電流減少,負載電流由M17提供；反之,輸入電壓OUT1向正方向變化,M16電流增加,負載電流由M16提供,實現大電流驅動大負載能力。

2.3 運放增益

運放增益由兩級運放級聯構成,增益主要由第一級運放提供,如公式(1)～(3)所示,可以通過提高第一級輸入管跨導和增大第一級的負載電阻來提高整體運放的增益。

Av=AvⅠ×AvⅡ

(1)

AvⅠ=gmⅠ×RI=gm1×[(gm7ro7ro4)//(gm9ro9ro11)]

(2)

AvⅡ=gmⅡ×RⅡ=gm16×(ro16)//(ro17)

(3)

2.4 運放擺率

如公式(4)～(6)所示,兩級運放的擺率受限于兩級運放的最小擺率:

(4)

(5)

SR=min {SRⅠ,SRⅡ}

(6)

2.5 頻率補償

頻率補償的方法[6-8]在密勒電容CC的前饋通路中插進與CC串聯的調零電阻RZ,從而改善零點的頻率。圖2為這種方法的示意圖,對應于圖1中II第二級運放甲乙類推挽反相運放模塊中的M9晶體管。將M9等效電阻用作調零電阻RZ。使兩級運放級聯后的零點值與第一極點相同,實現相位補償,提高兩級運放的相位裕度。

圖2 消除RHP零點的結構圖

3 偏置電路

如圖3所示,為高速運放的偏置電路。該電路由基準電流產生電路、啟動電路以及偏置電路共同構成。其中,基準電流產生電路為運放單獨提供基準電壓電流,區分于供電電源。啟動電路觸發偏置電路正常工作。偏置電路為兩級運放中偏置管提供準確的偏置電壓。

圖3 偏置電路

4 性能仿真

基于SMIC 0.18 um 5 V CMOS工藝對圖4和圖5所示電路進行Hspice仿真,電源電壓為5 V,進行蒙特卡洛仿真。

圖4 輸出級運放增益和相位裕度仿真結果

圖5 輸出級運放擺率仿真結果

放大器的幅頻、相頻特性如圖4所示,運放增益>84 dB,相位裕度79°,單位增益帶寬>100 MHz,建立時間<10 ns。

放大器仿真結果列于表1可以看出,設計的放大器整體性能良好,具有開環增益高、單位增益帶寬大、電源抑制比和共模抑制比高、總諧波失真低等特點。

表1 放大器的性能參數

5 結 論

本文設計的一款適用于高速讀出電路的輸出級運算放大器,基于SMIC 0.18 μm工藝,在負載電阻100 kΩ,負載電容25 pF的條件下,使讀出電路的工作頻率大于20 MHz。最終實現指標:功耗不大于10 mW,運放增益>84 dB,相位裕度79°,單位增益帶寬>100 MHz,噪聲78 μV(1～500 MHz),輸出電壓范圍1～5 V,建立時間<15 ns。通過設計高速輸出級運算放大器,紅外讀出電路的讀出速率和幀頻得到有效提高。未來可以應用于高速讀出電路,提升紅外探測器性能。