一种高性能CMOS集成运算放大器的研究与设计
2013-12-19李冰冰
李冰冰,杨 明
1.淮北职业技术学院电子信息系,安徽淮北,235000;2.亳州师范高等专科学校理化系,安徽亳州,236800
集成运算放大器是一种高输入电阻、低输出电阻和高放大倍数的多级耦合放大器,能够实现对模拟信号的运算。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块,用以实现数学运算,对信号进行较为简单的处理。放大电路是一种弱电系统,具有很高的灵敏特性,由于受到直接耦合方式及环境温度等因素的影响,若接收到内外界的干扰信号,将使放大电路的输出发生偏差,造成测量误差或使系统发送错误动作。这些影响多为噪声,因此,在特定条件下(如高灵敏度),噪声干扰仍然是一个不可回避的问题,本文采用CMOS工艺设计了一个低噪声运算放大器,主要对噪声进行优化。
1 全差分低噪声运算放大器的设计
随着科技的飞速发展,在不同领域之间科学技术互相关联、相互交融,比如:离子敏感传感器用来测量水中离子浓度时,它感应出来的信号电压是很微弱的,要将微弱的信号放大,就需要低噪声、高精度的放大器,同时还要考虑芯片的工作电压、系统信噪比以及解析度等。设计电路要同时兼顾相位裕度、线性度、带宽、噪声、增益等多种指标非常困难,要依据实际情况有取有舍。本文设计的运算放大器考虑噪声性能及保持一定的线性度;同时,考虑带宽及增益。基于以上分析,设计采用两级运放比较合适,初步的主电路如图1所示。
由于电路的等效输入噪声是输出噪声比上运放的增益,因而运用共源共栅结构可大大提高运放的增益,用公式表示如下:
(1)
(2)
依据公式(2)可知,要减少第二级电路噪声对总输入噪声的影响,可以通过提高对第一级电路的增益来实现,因共源级放大电路增益很难与共源共栅结构相比,使用共源共栅结构较好,共源共栅结构中折叠式功耗大、噪声较高,所以第一级电路使用了套筒式的共源共栅结构。同时,由于NMOS管比PMOS管的闪烁噪声高,在这里选用PMOS管,PMOS管作为输入管可以减小Eascode结构对电路摆幅的压力,使得电路的设计难度减小。由于第二级要符合低阻抗输出、带动负载能力强的要求,一般情况下,若要带动小负载,选择共源级已可满足,其另一优点是电压余度的消耗少。
1.1 低噪声运放输入级的设计
为稳定直流共模输出电压,保证输出级工作于线性区,在全差分的结构中常采用共模反馈电路(CMFB),如图2所示。
图2 共模反馈电路图
图2共模反馈电路图中,M15提供偏置电流,大小由M20和M15的宽长比、IDC2共同决定,如下公式表示:
(3)
负载管M18,M19的漏源之间短接,此种连接使输出阻抗约为1/(gm+1/r10),将M18、M19等效成1/gm18、1/gm19的负载电阻,使得流过M17的驱动电压及电流减小(也即P点的输出电压减小),控制通过输出电阻的电流大小,两电流之间呈反向增减关系。当输入信号增加时,可以通过减小漏极电压保持电流不变,所以要设计稳定运放共模输出电平,可以利用负反馈的原理来实现。
1.2 运放输出级的设计
图3 甲乙类推挽式输出级
CMOS运放电路输出级的基本作用是电流变换,应该具有向负载输出大的信号功率的能力,本文设计了甲乙类推挽式输出级。M21和M23为推挽输出管,而M20和M22在这里有两个作用:一为输出管子设置合适的静态工作点,以便提供适当的偏置,减小交越失真;二是由于系统失调由M20和M22管子决定,所以可通过对其适当的设置来降低系统失调,从而降低输入失调电压。
1.3 运放补偿电路设计
图4所示为补偿电路等效图工作在闭环状态,其系统增益可表示为:
假如G(s)H(s)=-1,那么增益将会趋于无限,电路中就会产生自激振荡。根据巴克豪森判据,当环路总的相移达到360°时,负反馈就会变成正反馈,这多数是由于放大电路中含有RC回路存在附加相移造成的。要消除振荡,就要采取补偿措施,图4是补偿电路等效图。
图4 补偿电路等效图
由图4可知:
(4)
(5)
所以
(6)
由图5可以看出,单位增益带宽为50M,相位裕度为60°。
图5 仿真的运放幅频与相频曲线
2 仿真结果及分析
2.1 运放噪声的仿真分析
图6 输入噪声曲线
2.2 运放线性度仿真分析
由于差动对不会产生偶次谐波,可以大为减少系统失真。
图7 输出功率频谱
图7为输入12 mV输出功率频谱图,1 M频率处3阶功率差为28 dBm,根据线性度指标IIP3的定义:
可以得到IIP3的值是-11.5 dBm。
2.3 运放的温度特性
图8 增益温度响应
在集成电路工艺当中,环境温度的变化将会促使器件的参数发生改变,在制造工艺中,这一点尤为突出,在不同温度的情况下,有必要进行电路参数的仿真。根据图8可知,当环境温度在75℃到-10℃的变化范围内,运放增益由86 dB上升为90 dB。
通过噪声的温度相应图可知,当温度由-10℃到75℃变化时,参看输入参考噪声曲线,不难发现,温度升高噪声也略有上升,但在输入信号为1 kHz频率处依然满足设计要求。
图9 噪声的温度响应
3 结束语
参考文献:
[1]何峥嵘.运算放大器电路的噪声分析和设计[J].微电子学,2006(2):148-149
[2]赵永健,张雨文.运算放大器的误差分析与补偿方法[M].北京:高等教育出版社,1987:45-47
[3]Van Peteghem P M,Duque-Carrillo J F.Ageneral deseription of common mode feedbaek in fully-differential amplifers[A]//IEEE Int Syrnp Ciro and Syst,1990:3209-3212
[4]陈贵灿,邵志标,程军.CMOS模拟集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2000:156-159
[5]刘恩科,朱秉升,罗晋生.半导体物理学[M].北京:国防工业出版社,2007:210-212
[6]王好德,王永顺,史琳,等.高性能CMOS运算放大器的设计[J].微电子学,2011(1):19-22