一款适用于高速读出电路的输出级运算放大器设计

张露漩,李敬国,袁 媛

(中电科光电科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

随着现代科技发展,对集成电路的性能要求快速提高,其中,模拟集成电路中的CMOS运算放大器是大规模高速低功耗芯片中的重要核心模块。其性能直接影响整体应用系统的关键指标。在红外探测应用系统,运算放大器广泛应用于不同模块单元,如探测输入级、数据处理中间级、输出级和偏置电路等。模拟运放通常起到信号放大、高速输出的作用。在追求这些性能的同时,稳定性、功耗和噪声是设计时需要关注的重点。通常我们可以通过两级运放的结构,并且引入弥勒补偿的方式,实现调节运放整体的性能[1-2]。

本文设计了一款高性能的输出级运算放大器,最高可工作于20 MHz工作频率,负载电阻100 kΩ和电容25 pF。为了解决高工作频率和大负载对运算放大器的摆率和功耗损失,设计折叠共源共栅差分运放作为一级运放,主要为电路提供高增益、高输出阻抗,甲乙类共源推挽反向运放作为第二级运放,为电路负载提供大驱动电流,有效减小整体输出级运放的功耗。

2 运算放大器设计

2.1 折叠共源共栅差分运放

如图1中(I)所示,为两级运放中的第一级运放折叠共源共栅差分运放。具有较高的输出阻抗、较大的电压输出摆幅、增益高等优点,但有功耗、低电压增益、低极点频率和高噪声的缺点[3]。

图1 高性能的输出级运算放大器

本文设计的折叠共源共栅差分运放,考虑到尾电流源的变化会影响运放的直流工作点及输出工模电压,设计了反馈偏置,可以实现在不降低其他性能的前提下,对折叠共源共栅由于工模输入电压的变化以及工艺匹配偏差造成的尾电流源的电流变化起到抑制作用,从而提高运放的共模抑制比CMRR。利用自偏压互补折叠设计可以减少外部偏压数量,提高输出摆幅和开环增益。降低由于更多外部输入偏压导致的噪声和串扰影响。

差分输入管NMOS管M1和M2在尾电流源M3提供的固定偏置电流作用下,将差分输入电压转化为差分电流,经过由M4、M5和M10、M11组成的两个电流镜实现双端到单端的转换,输出OUT1给下一级电路。M6～M9用来获得更高的电压输出摆幅。在设计时,需要注意的是,I4和I5的值通常设在I3到2I3之间,以此来保证共源共栅电流镜的直流电流I6,I7不为零。

2.2 甲乙类推挽反相运放

如图1中(Ⅱ)所示,为两级运放中的第二级运放甲乙类推挽反相运放,对第二级运放的设计要求为:具有较强的带负载能力、高电压电流转换效率,可以灵活地从负载得到电流或者向负载提供电流,实现高电流增益,驱动大负载[4-5]。

甲乙类推挽反相运放M16的栅偏压决定于一级运放输出电压OUT1和电源电压VDD的差值；M17的栅偏压决定于M15的漏端电压。适当选取M16和M17的偏压来保证电路工作在甲乙类。当输入电压OUT1正向变化时,M15的电流增加,其漏端电压也正向变化,M17的电流增加,输出电压OUT电压向负方向变化。同时,M16的电流减少,负载电流由M17提供；反之,输入电压OUT1向正方向变化,M16电流增加,负载电流由M16提供,实现大电流驱动大负载能力。

2.3 运放增益

运放增益由两级运放级联构成,增益主要由第一级运放提供,如公式(1)～(3)所示,可以通过提高第一级输入管跨导和增大第一级的负载电阻来提高整体运放的增益。

Av=AvⅠ×AvⅡ

(1)

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

(2)

AvⅡ=gmⅡ×RⅡ=gm16×(ro16)//(ro17)

(3)

2.4 运放摆率

如公式(4)～(6)所示,两级运放的摆率受限于两级运放的最小摆率:

(4)

(5)

SR=min {SRⅠ,SRⅡ}

(6)

2.5 频率补偿

频率补偿的方法[6-8]在密勒电容CC的前馈通路中插进与CC串联的调零电阻RZ,从而改善零点的频率。图2为这种方法的示意图,对应于图1中II第二级运放甲乙类推挽反相运放模块中的M9晶体管。将M9等效电阻用作调零电阻RZ。使两级运放级联后的零点值与第一极点相同,实现相位补偿,提高两级运放的相位裕度。

图2 消除RHP零点的结构图

3 偏置电路

如图3所示,为高速运放的偏置电路。该电路由基准电流产生电路、启动电路以及偏置电路共同构成。其中,基准电流产生电路为运放单独提供基准电压电流,区分于供电电源。启动电路触发偏置电路正常工作。偏置电路为两级运放中偏置管提供准确的偏置电压。

图3 偏置电路

4 性能仿真

基于SMIC 0.18 um 5 V CMOS工艺对图4和图5所示电路进行Hspice仿真,电源电压为5 V,进行蒙特卡洛仿真。

图4 输出级运放增益和相位裕度仿真结果

图5 输出级运放摆率仿真结果

放大器的幅频、相频特性如图4所示,运放增益>84 dB,相位裕度79°,单位增益带宽>100 MHz,建立时间<10 ns。

放大器仿真结果列于表1可以看出,设计的放大器整体性能良好,具有开环增益高、单位增益带宽大、电源抑制比和共模抑制比高、总谐波失真低等特点。

表1 放大器的性能参数

5 结 论

本文设计的一款适用于高速读出电路的输出级运算放大器,基于SMIC 0.18 μm工艺,在负载电阻100 kΩ,负载电容25 pF的条件下,使读出电路的工作频率大于20 MHz。最终实现指标:功耗不大于10 mW,运放增益>84 dB,相位裕度79°,单位增益带宽>100 MHz,噪声78 μV(1～500 MHz),输出电压范围1～5 V,建立时间<15 ns。通过设计高速输出级运算放大器,红外读出电路的读出速率和帧频得到有效提高。未来可以应用于高速读出电路,提升红外探测器性能。