全差分套筒式运算放大器设计
1、设计内容
本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜
像电流源作为偏置。为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈
及二级放大电路。
本设计所用到的器件均采用SMIC 0.18µm 的工艺库。
2、设计要求及工艺参数
本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示： 表1 放大器设计指标
Parameter Specification
VDD 1.8V
PWR <10mW
Output Swing =3V
DC Gain >60dB
PM >45deg when CL=2pF
表2 工艺参数
参数 数值
N18 μn 0.034 m2/v/s
Tox 3.87e-9 m
Vth0 0.39 V
P18 μp 0.0086 m2/v/s
Tox 3.74e-9 m
Vth0 -0.402 V
3、放大器设计
3.1 全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路
图1 全差分套筒式放大器拓扑结构
图2 最终电路图
3.2 设计过程
在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完
全一样，即两管子所有参数均相同。Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、
M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结
构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3
+ gmb3）ro2倍。但同时降低了输出电压摆幅。为了提高摆幅，控制增益，在套
筒式差分放大器输出端增加二级放大。
本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。设计要
求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。
我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道
长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。
𝐼𝐷=12𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿(𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑇𝐻)2(1+𝜆𝑉𝐷𝑆) (1)
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。
差分放大电路公式(一)
差分放大电路公式
1. 差动增益公式
• 差动放大器的增益定义为差模输入电压与差模输出电压的比值：
Ad = (Vout+ - Vout-) / (Vin+ - Vin-)
• 其中，Vin+和Vin-分别表示正输入与负输入的电压，Vout+和Vout-分别表示正输出与负输出的电压。
2. 共模增益公式
• 共模放大器的增益定义为共模输入电压与共模输出电压的比值：
Ac = (Vout+ + Vout-) / (Vin+ + Vin-)
• 其中，Vin+和Vin-分别表示正输入与负输入的电压，Vout+和Vout-分别表示正输出与负输出的电压。
3. 差模增益与共模增益比值公式
• 增益差值定义为差动增益与共模增益的比值：
CMRR = Ad / Ac
• 其中，CMRR表示共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）。 4. 差模输入电阻公式
• 差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流的比值：
Rin = (Vin+ - Vin-) / Iin
• 其中，Vin+和Vin-分别表示正输入与负输入的电压，Iin表示差模输入电流。
5. 差模输出电阻公式
• 差模输出电阻定义为差模输出电压变化与差模输出电流变化的比值：
Rout = dVout / dIout
• 其中，dVout表示差模输出电压变化，dIout表示差模输出电流变化。
举例说明
假设我们有一个差分放大电路，如下图所示：
R1 R2
Vin+ -----/\/\/\/\------
|
---- RL
| |
Vin- -----/\/\/\/\------ Vout
R3 R4 其中，R1、R2、R3、R4为电阻，Vin+和Vin-为正输入与负输入的电压，Vout为输出电压。
全差分放大器共模增益
一、全差分放大器的工作原理
全差分放大器（Fully Differential Amplifier）是一种特殊类型的放大器，它采用两个对称的放大电路，分别对差分信号的两个正负分量进行放大。差分信号是指大小相等、相位相反的信号。全差分放大器能够有效地放大差分信号，并且具有良好的抑制共模干扰的能力。
在全差分放大器中，两个对称的放大电路通常采用镜像对称的方式排列，以便实现电路参数的一致性。输入信号被差分方式输入到两个对称的输入端，经过放大后，在输出端将差分信号合成输出。由于全差分放大器的对称性，其两个输出端的电压变化幅度相同，但方向相反，从而实现对差分信号的放大。
二、共模增益的特性
共模增益是指放大器对共模信号的放大能力。在全差分放大器中，由于两个对称的放大电路的参数一致性，其对共模信号的放大能力是相同的。因此，全差分放大器的共模增益特性是其两个输出端的电压变化幅度与输入端的共模信号变化幅度的比例关系。
共模增益的大小取决于全差分放大器的电路参数和偏置条件。当全差分放大器的电路参数和偏置条件发生变化时，其共模增益也会发生变化。此外，共模增益的大小还会受到电源电压、环境温度等因素的影响。
三、影响共模增益的因素
影响全差分放大器共模增益的因素有很多，主要包括以下几个方面：
1. 电路参数：全差分放大器的电路参数对其共模增益有直接影响。例如，输入电阻、输出电阻、跨导、反馈系数等参数的变化都会导致共模增益的变化。
2. 偏置条件：全差分放大器的偏置条件也会影响其共模增益。例如，偏置电流的大小、偏置电压的高低等都会对共模增益产生影响。 3. 电源电压和环境温度：电源电压和环境温度的变化也会对全差分放大器的共模增益产生影响。这是因为电源电压和环境温度的变化会导致电路参数和偏置条件发生变化，从而影响共模增益。
4. 输入信号：输入信号的大小和类型也会对全差分放大器的共模增益产生影响。特别是当输入信号为共模信号时，其对共模增益的影响更加显著。
