高性能运算放大器研究与设计

刘 萌

（1.贵州大学电子科学系，贵州 贵阳550025；2.贵州省微纳电子与软件技术重点实验室，贵州 贵阳550025）

0 引言

运算放大器是模拟系统或者数模混合信号系统的一个重要部分，在很多领域中涉及到运算放大器的应用[1]，包括有源滤波器、采样保持电路、模数转换器、波形发生器等等。各种机构与复杂性各异的运放来实现各种各样的功能[2]：从产生偏置到滤波或放大。增益和稳定性[3]是运算放大器的两大重要因素，而这两方面的因素是由运放电路结构决定的。对这两方面的优化是互相制约的，通过多级级联可以获得较高的放大倍数，但是多级运放实现高增益的同时，由引入了多个极点。使得运放的稳定性显著恶化。通过在输入与输出间添加补偿电容和调零电阻的方法可以对单位增益带宽和相位特性进行调节[4]。本电路在第二级的输入与输出间增加了补偿电容和电阻构成的RC密勒补偿。补偿电容用来调节电路的极点，进而调节增益带宽。补偿电阻用来调节电路的零点，从而调节相位特性。

1 电路实现

图1给出的CMOS二级运算放大器的结构电路图。主要包括了以下几个部分：偏置电路、输入级放大电路、二级放大电路、补偿电路。

图1 运算放大器电路结构

偏置电路由M8-M13晶体管和电阻R1组成。M8和M9参数相同，是一对匹配的pmos镜像电流源。通过在M12上串联电阻R1，使的晶体管M12和M13失配。电阻R1决定了偏置电流I1的大小。M11与M13接为二极管形式，为cascode连接的M10提供偏置电压，这种cascode结构减小了沟道长度调制效应造成的电流误差。

图2 电路等效模型

由于镜像电流源M8和M9的作用，M12与M13通过的电流是相等的I1.可得

又由电路结构可得

可以得到偏置电流为

从上式中可以看到，I1仅与电阻R1阻值和晶体管M12和M13的尺寸有关，不受电源电压的影响。因而可以通过调节电阻R1和晶体管M12和M13的尺寸来调节偏置电流的大小。每个晶体管的Gm都正比于因为可以通过I1求出每个晶体管的跨导。

输入级放大电路由M1-M5组成。其中M5为输入级提供稳定的偏置电流。而M1和M2是一组差分输入对，相比单端输入可以有效地抑制共模信号干扰。M3和M4作为有源负载。输出级由M6、M7组成。M6是共源放大结构，M7提供偏置电流也作为第二级的输出负载。相位补偿电路由电阻R0和电容Cc构成。跨接在输出级的输入和输出之间。绘制电路的简单的等效模型如图2。

图中两级都是互导放大器，第一级电压增益为：

第二级位：

所以总的放大倍数估计为：

由等效电路可以得到两个KCL等式

可得电路的传输函数为

在第二级的输入和Cc之间串联串接一个电阻,可以通过调节阻值的大小来实现调节零点的作用。串联后系统函数的极点不发生变化，零点变为

通常将零点移动到略大于单位增益带宽的地方，以获得足够大的相位裕度，确保电路稳定。

2 仿真结果

图3给出了用cadence中的spectre仿真的幅频和相频特性。可以看到仿真结果和理论基本吻合，增益能达到81.29dB，相位裕度达到64度。单位增益带宽26.74MHz。

3 结束语

图3 幅频和相频特性图

本文设计了采用米勒补偿的二级运算放大器，即在输出级和输入级间串联补偿电容和电阻。即提高了增益，又增加了运算放大器的单位增益带宽，同时保证了相位裕度在60度以上，保证了电路的稳定。

［1］易清明,张静,石敏.低功耗CMOS集成运算放大器的研究与设计[J].微电子学,2007,03:414-416+420.

［2］李建中,汤小虎,魏同立.一种低电压CMOS折叠-共源共栅跨导运算放大器的设计[J].微电子学,2005,04:412-415.

［3］柳逊,闫娜,吴晓铁,程君侠.一种高性能运算放大器的设计[J].微电子学与计算机,2005,06:28-30+33.

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