全差分套筒式运算放大器设计

一 毕业设计（论文）进展情况运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分,也是构成这些系统的基本单元. 因而设计高性能的运算放大器可以使系统的总体性能得到提高。

一、两级运算放大器分析两级CMOS 运算放大器的设计V DDV SSM1M2M3M4M5M6M7M8VnC LC cvoutvin1vin2irefxy3I d5两级CMOS 运算放大器1、基本目标参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标：5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤ 相位裕度：60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。

在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。

要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。

因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。

这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。

为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。

如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。

典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 边界条件要求工艺规范 见表2、3电源电压 %105.2±±V电源电流 100Μa 工作温度范围0~70°特性要求增益 dB 70≥增益带宽 ≥5MHz建立时间 s μ1≤ 摆率 s /5μV ≥ICMR ≥V 5.1± CMRR ≥60dB PSRR ≥60dB 输出摆幅 ≥V 5.1±输出电阻 无，仅用于容性负载失调 mV 10±≤噪声 ≤100Hz nV (1kHz 时) 版图面积≤50002)(最小沟道长度⨯ 表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性2、两级放大电路的电路分析图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。

全差分运算放大器设计概要全差分运算放大器是一种常见的电子电路，它可以将输入信号的差分放大，并在输出端提供差分信号。

全差分运算放大器广泛应用于模拟与数字信号处理中，如低噪声放大器、滤波器和交叉耦合放大器等领域。

本文将介绍全差分运算放大器的设计概要，包括电路结构、设计要点和性能指标等。

[图片]该电路由两个共模反馈放大器组成，其中一个作为正放大器，另一个作为负放大器。

输入信号通过差分输入端口加到两个反馈放大器上，经过放大后，在输出端口提供差分信号。

为了保证优良的性能，必须对电路的参数进行适当的设计和调整。

首先，需要确定全差分运算放大器的增益要求。

增益是指输出信号与输入信号之间的比例关系。

在不同的应用中，增益要求可能不同。

根据增益要求，可以选择合适的放大器型号和电路拓扑结构。

其次，需要选择适当的放大器元件。

放大器元件包括晶体管、电阻、电容等。

选择合适的元件是设计成功的关键。

晶体管的选择要考虑其增益、噪声系数、带宽等指标。

电阻和电容的选择要考虑其阻值、容值、精度等因素。

然后，需要确定电路的偏置方案。

全差分运算放大器需要提供适当的偏置电压，以确保电路能够正常工作。

偏置电压的选择要考虑元件的工作状态和参数的稳定性。

常见的偏置方案包括电流镜偏置、电流源偏置等。

设计完成后，需要对电路进行性能测试和优化。

性能测试包括增益、带宽、噪声系数、非线性失真等指标的测试。

根据测试结果，可以进行相应的电路优化，以满足设计要求。

最后，需要对电路进行可靠性分析。

可靠性分析是为了确保电路在长时间工作过程中不会出现故障。

可靠性分析包括温度分析、电路重要参数的敏感度分析等。

全差分运算放大器设计的关键在于电路的结构和元件的选择。

合理的电路结构和适当的元件选择可以使电路具有较高的增益、宽带和低噪声等性能。

此外，还需要注意电路的偏置方案和可靠性分析，以确保电路的正常工作和长时间可靠性。

总之，全差分运算放大器是一种重要的电子电路，具有广泛的应用前景。

邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注一种高增益CMOS 全差分运算放大器的设计Design of a High-gain CMOS Fully Differential Operational Amplifier(江南大学)李杨先顾晓峰浦寿杰LI Yang-xian GU Xiao-feng PU Shou-jie摘要:设计了一种用在高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中的高增益CMOS 全差分运算放大器。

该运算放大器采用了套筒式共源共栅结构和开关电容共模反馈电路。

通过分析和优化电路性能参数,实现了高增益和低功耗。

采用SMIC 0.35μm CMOS 工艺,经Spectre 仿真验证,电路在3.3V 电源电压和2.6pF 负载电容条件下,单位增益带宽为110MHz,开环直流电压增益达76dB,功耗为1.4mW 。

关键词:运算放大器;套筒式共源共栅;高增益;A/D 转换器中图分类号:TN402文献标识码:AAbstract:A high -gain CMOS fully differential operational amplifier has been designed for the application to high -resolution audio Σ-ΔA/D converters.The telescopic cascade structure and the switched capacitor common -mode feedback circuit were adopted in this operational amplifier.High gain and low power dissipation were achieved by analyzing and optimizing the circuit parameters.The Spectre simulation using SMIC 0.35μm CMOS process shows that,with 3.3V power voltage and 2.6pF capacitor load,the circuit has a unity-gain bandwidth of 110MHz,an open-loop gain of 76dB and a power dissipation of 1.4mW.Key words:Operational amplifier;Telescopic cascade;High-gain;A/D converter文章编号:1008-0570(2009)10-2-0207-031引言运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元,广泛应用于数/模与模/数转换器、有源滤波器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。

全差分运算放大器设计岳生生（6）一、设计指标以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下：✧直流增益：>80dB✧单位增益带宽：>50MHz✧负载电容：＝5pF✧相位裕量：>60度✧增益裕量：>12dB✧差分压摆率：>200V/us✧共模电压：2.5V (VDD=5V)✧差分输入摆幅：>±4V二、运放结构选择运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。

如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。

如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。

如图1的前级所示。

本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT NV之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS管的,DSAT PV之和也必须小于0.5V 。

对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。

另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。

考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。

两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。

三、性能指标分析1、 差分直流增益 (Adm>80db)该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益1351113571135135753()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g gg ggG A R r r r r g g r r r r=-=-=-+P第二级增益92291129911()m o o o m m o o gg G AR r r gg=-=-=-+P整个运算放大器的增益：4135912135753911(80)10m m m m overallo o o o m m o o dB g g g gAA A g g g gr r r r ==≥++2、 差分压摆率 （>200V/us ）转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。

全差分运算放大器设计全差分运放（Fully-Differential Amplifier，简称FDA）是一种特殊的运放，它具有两个差动输入和两个差动输出。

全差分运放具有许多优点，包括良好的共模抑制和电源抑制比，适用于高精度传感器信号放大、功率放大和模拟信号处理等领域。

在这篇文章中，我将介绍全差分运放的设计原理和步骤。

首先，我们需要确定设计的要求和规范。

这包括增益要求、带宽要求、电源电压和输入输出电阻等参数。

根据这些要求，我们可以选择合适的运放器件和电路拓扑。

全差分运放的常见电路拓扑有两级差分放大器、共射共源放大器和增益交换放大器等。

在这里，我们以两级差分放大器为例进行设计。

第一步是选择运放器件。

我们需要根据设计要求选择适合的运放器件，可以根据其增益带宽积、供电电压范围和失调电流等参数进行选择。

一般来说，我们可以选择低失调电流、高增益带宽积和低电压噪声的器件。

第二步是确定电路拓扑。

在两级差分放大器中，第一级是差分放大器，第二级是共射共源放大器。

差分放大器的作用是提供高输入阻抗和共模抑制比，共射共源放大器的作用是提供电流放大和驱动能力。

由于这两级放大器要分别满足不同的要求，我们可以选择不同的放大倍数和器件参数来优化电路性能。

第三步是确定偏置电路。

偏置电路的作用是提供恒定的工作电流，这可以通过电流源和电阻网络来实现。

偏置电流的选择要根据运放器件的要求和特点，可以使用恒流源或电流反馈等方法来实现。

第四步是确定反馈电路。

反馈电路的作用是控制放大倍数和增益稳定性，可以使用电阻、电容或者电流源等元件来实现。

选择适当的反馈方式可以减小失调电压和非线性，提高性能。

第五步是进行电路仿真和优化。

通过电路仿真，我们可以验证设计的性能和满足要求。

优化可以通过调整电路参数和进行迭代仿真来实现，以达到设计要求。

第六步是进行电路布局和线路板设计。

在设计布局时，要注意分离放大器电路和干扰源，减少电源和信号线的串扰。

线路板设计要保证差分信号走线的对称性和阻抗匹配，以提高传输性能。

一毕业设计（论文）进展情况60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。

在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。

GB GB GB ()()()p p z的相位裕量，所以2.2 10LC因此由补偿电容最小值即可以得到2m112'1g (/)(/)2/12N W L W L K I ==≅ 用负ICMR 公式计算5Dsat V 由式（12）我们可以得到下式15(min)IC SS GS Dsat V V V V =++如果5DS V 的值小于100mv ，可能要求相当大的5(/)W L ，如果5Dsat V 小于0，则ICMR 的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小5I 或者增大5(/)W L 来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们(min)IC V 等于-1.1V 为下限值进行计算152511(min)Dsat IC TN SS I V V V V β=---（）则可以得到的5Dsat V 进而推出555'2552(/)()Dsat S W L K V ==（I ）11/1≅即有58(/)(/)11/1W L W L =≅为了得到60°的相位裕量，6m g 的值近似起码是输入级跨导1m g 的10倍（allen 书p.211例6.2-1），我们设us g g m m 9421016==，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求46SG SG V V =，图中x ，y 点电位相同我们可以得到6644(/)(/)64/1m m gW L W L g ==进而由6662(/)m Pd g K W L I '=我们可以得到直流电流 22m6m667''6666g g 113.72(/)2d d I I A K W L K S μ==== 同样由电流镜原理，我们可以得到7755(/)(/)32/1d d IW L W L I ==3、仿真和测量 （1）DC 分析图2 VOUT 、M5管电流、M7管电流、Vx 与Vy 与输入共模电压变化的关系图4 测量共模输入范围的电路图图5 运放的输入共模电压范围从图中可以得到输入共模范围满足设计指标(-1V~2V)（3）测量输出电压范围在单位增益结构中，传输曲线的线性收到ICMR 限制。

第28卷　第2期2005年6月电　子　器　件Chinese Journal of Elect ron Devices Vol.28　No.2J un.2005Analysis and Design of Fully Differential G ain 2Boosted OpampW A N G J i n 1,Q I U Yu 2li n 1,T I A N Ze21.I nstit ute of Microelect ronic of Chinese A cadem y of S ciences ,Bei j ing 100029,China;2.Depart ment of Elect ronic Science ,N ort hwestern Universit y ,X i ’an 710069,ChinaAbstract :The gain 2boosting technology is presented and analyzed.Wit h gain 2boosting ,a f ully differential gain 2boo sted telescopic cascode opamp is propo saled and designed.The main opamp is a f ully differential telescopic opamp and has a switched capacitor CM FB circuit.The boo sting opamp is a f ully differential fol 2ded cascode opamp and has a co ntinuous time CM FB circuit.The opamp is designed in SM IC 0.35μmixed 2signal CMOS p rocess wit h 3.3V power supply and achieved a dc gain of 129dB wit h a 161M Hz unity gain f requency.K ey w ords :f ully differential ,gain 2boo sted ;opamp EEACC :1220全差分增益提高运算放大器的分析与设计王　晋1,仇玉林1,田　泽21.中国科学院微电子研究所,北京,100029;2.西北大学电子科学系,西安,710069收稿日期:2004212203作者简介:王　晋(19732)男,博士研究生,主要从事模拟集成电路和混合集成电路设计,wangjin0215@ ;仇玉林(19422)男,研究员、博士生导师,wangjin0215@摘　要:通过增益提高技术,一个全差分增益提高套筒式共源共栅运算放大器被提出和设计。

全差分运算放大器设计岳生生（200403020126）一、设计指标以上华0.6um CMOS 工艺设计一个全差分运算放大器，设计指标如下：✧直流增益：>80dB✧单位增益带宽：>50MHz✧负载电容：＝5pF✧相位裕量：>60度✧增益裕量：>12dB✧差分压摆率：>200V/us✧共模电压：2.5V (VDD=5V)✧差分输入摆幅：>±4V二、运放结构选择运算放大器的结构重要有三种：（a ）简单两级运放，two-stage 。

如图2所示；（b ）折叠共源共栅，folded-cascode 。

如图3所示；（c ）共源共栅，telescopic 。

如图1的前级所示。

本次设计的运算放大器的设计指标要求差分输出幅度为±4V ，即输出端的所有NMOS 管的,DSAT NV之和小于0.5V ，输出端的所有PMOS管的,DSAT PV之和也必须小于0.5V 。

对于单级的折叠共源共栅和直接共源共栅两种结构，都比较难达到该要求，因此我们采用两级运算放大器结构。

另外，简单的两级运放的直流增益比较小，因此我们采用共源共栅的输入级结构。

考虑到折叠共源共栅输入级结构的功耗比较大，故我们选择直接共源共栅的输入级，最后选择如图1所示的运放结构。

两级运算放大器设计必须保证运放的稳定性，我们用Miller 补偿或Cascode 补偿技术来进行零极点补偿。

三、性能指标分析1、 差分直流增益 (Adm>80db)该运算放大器存在两级：（1）、Cascode 级增大直流增益（M1-M8）;（2）、共源放大器（M9-M12） 第一级增益1351113571135135753()m m m o o o o o m m m m o o o o m m g g gg gg G A R r rr r g g r r r r=-=-=-+第二级增益92291129911()m o o o m m o o gg G AR r rgg=-=-=-+整个运算放大器的增益：4135912135753911(80)10m m m m overallo o o o m m o o dB g g g gAA A g g g gr r r r ==≥++2、 差分压摆率 （>200V/us ）转换速率（slew rate ）是大信号输入时，电流输出的最大驱动能力。

全差分CMOS运算放大器的设计全差分CMOS运算放大器（Fully Differential CMOS Operational Amplifier）是一种常用于模拟、混合信号和通信电路中的放大器。

全差分运算放大器结合了差分放大器和普通运算放大器的优点，具有更好的共模抑制、抗干扰能力和更高的增益。

1.设计差动放大器：差动放大器是全差分CMOS运算放大器的核心部分，其一般由两个输入差分对和一个负载电阻组成。

在设计差动放大器时，首先需要确定放大器的增益、带宽和功耗等要求。

然后，选择适当的晶体管尺寸和偏置电流来满足这些要求。

2.设计电流镜：电流镜主要用于稳定差动放大器的工作点。

常用的电流镜电路有P型电流镜和N型电流镜。

在设计电流镜时，需要考虑放大器的输入阻抗、输出阻抗和功耗。

3.设计共模反馈电路：共模反馈电路主要用于提高全差分CMOS运算放大器的共模抑制比。

在设计共模反馈电路时，需要确定合适的电压分压比例和电容值，以及选择合适的晶体管尺寸和偏置电流。

4.偏置电流源设计：5.电源设计：6.输入和输出接口设计：7.稳定性分析和优化：在设计全差分CMOS运算放大器时，还需要进行稳定性分析和优化。

常用的稳定性分析技术有迭代法、校正法和频率响应法。

稳定性优化技术有补偿电容法、极点分布法和增益调整法。

8.仿真和验证：最后，设计完成的全差分CMOS运算放大器需要进行仿真和验证。

常用的仿真和验证工具有SPICE软件、电路仿真器和实验测量仪器。

通过仿真和验证，可以评估放大器的性能和电路的可靠性。

最后，需要注意的是，在进行全差分CMOS运算放大器的设计时，应遵循设计规范和标准，如功耗规范、电压规范和噪声规范，以确保设计的可靠性和一致性。

同时，应密切关注工艺制程、温度变化等因素对电路性能的影响，并进行相应的校准和补偿。