CMOS高性能運算放大器的設計探究

王文龍

摘 要：運算放大器是數模混合系統中重要的組成部分，其性能的好壞直接關系到整個系統的運行水平，對高性能運算放大器進行深入研究具有廣泛的應用價值。在集成電路設計工藝中，CMOS以其獨特的高集成度、低功耗等優勢占據了市場的大部分份額，本文將以CMOS工藝為例，對其高性能運算放大器的設計要點進行分析。

關鍵詞：CMOS；高性能；運算放大器；設計

1 高性能運算放大器概述

1.1 CMOS運算放大器的性能指標

運算放大器性能評價的主要指標是選擇和應用的主要依據，一般多采用定性或定量的方式對其進行描述。常用的性能評價指標及相關內容可見表1，以下各項性能指標不是孤立存在的，而是互相制約，彼此影響，在實際設計過程中，是對部分關鍵性指標進行設計。

表1 CMOS運算放大器性能評價指標

[性能指標＼&評價內容＼&直流開環增益＼&表征運算放大器放大低頻信號的能力，開環增益越高，閉環系統穩定性越好。＼&單位增益帶寬＼&衡量運算放大器信號工作的重要頻率特性參數，主要決定其可響應的最高信號頻率。＼&相位裕度＼&衡量系統的穩定度，相位裕度越大，系統越穩定，但響應時間延長。＼&輸入失調電壓＼&用于衡量運放對稱性，對稱性高的，失調電壓較小，其精度越高。＼&輸出電壓擺幅＼&輸出信號準確的前提下能達到的最大電壓擺幅的峰值，電壓擺幅越大，運放性能越佳。＼&建立時間＼&運放閉環增益為1時，額定負載下輸入小信號激勵時輸出電壓達到指定精度所需要的時長，建立時間越短，電路對模擬信號處理的速度就越快。＼&壓擺率＼&表征運算放大器的頻率特征，體現運放的大信號瞬態響應特性。＼&共模抑制比＼&運算放大器對作用在兩個輸入端的共模信號的抑制能力，是裝置抗干擾能力的表現。＼&電源抑制比＼&對電源噪聲的抑制能力，即當電源電壓變化時運算放大器仍能保持穩定不變的能力。＼&功耗＼&各級靜態電流之和與電源電壓的乘積，也稱為靜態功耗。＼&]

1.2 高性能運算放大器

由于運算放大器各項參數為互相制約的關系，因此高性能運算器并不是要滿足所有參數，而是根據實際需要，對放大器的某項參數進行設計，以使其應用效果達到最佳。高性能運算器一般包括高精度、高速度、低功耗、低噪聲或者低失真等幾類。

2 CMOS高性能運算放大器的設計

2.1 增益級設計

運算放大器根據輸入結構的不同可分為套筒式和折疊式兩種，套筒式運算放大器存在的主要不足是輸出擺幅較小，不利于閉環使用；折疊式運算放大器的輸出電壓浮動較大，可適用于閉環系統，因此具有更廣泛的應用范圍。

為實現高增益，可將折疊式運放電路和簡單放大器聯合使用，構建兩級運放結構，該結構不僅實現了高增益，還減小了輸入失調電壓的值；環路相位裕度通過密勒補償電容分離極點而實現；零點補償電阻則可用于抵消零點對環路穩定性的不利影響，確保電路的穩定。其結構示意圖可見圖1。

如圖1所示，PMOS輸入對為M1和M2，其主要功能是將差動電流轉換成單端電壓輸出；NMOS晶體管偏置電流源為M4和M5；共源共柵管為M7和M8，可實現電位平移；M9柵極和M11的漏斷負載連接結構構成了共源共柵級結構，M9和M10被偏置在線性區的邊緣，在輸出擺幅中可節省一個PMOS闕值電壓。整個電路結構為兩級增益，電路整體增益為第一級增益和第二級增益的成績，可達到90dB。

2.2 低噪聲運算放大器設計

低噪聲運算放大器主要是對運放輸入級、運放輸出級、運放補償級等內容進行設計，以提高運算放大器抵抗噪聲的性能。

首先，共模輸出電壓的穩定輸出，需要輸出級處于線性區，共模反饋電路（如圖2所示）在全差分結構中應用較多。偏置電流由M15提供，其值由M20和M15的寬長比、IDC2共同決定；負載管M18和M19的漏源短接，可等效為1/gm18、1/gm19的負載電阻，使得流過M17的驅動電壓和電流減小。

其次，對運放輸出級的設計。CMOS運算放大器電路輸出級的作用是電流變換，應具備輸出大信號功率的能力，這可通過甲乙類推挽式輸出級實現。如圖3所示，M21和M23為推挽輸出管，M20和M22作用主要為設置合適的靜態工作點，以便提供適當的偏置，減少失真；另一作用是通過設置的改變，降低輸入電壓的失調。

最后，運放補償電路設計。補償電路在閉環狀態時，增益的增加會引起電路中自激振蕩，利用巴克豪森判據可知，當環路總相移達到360°時，放大電路中含有RC回路存在附加相移，這就可能會導致原來的負反饋變為正反饋。要消除振蕩，需要采取必要的補償措施，可通過圖4所示的補償電路實現。

3 結語

隨著電路工藝技術的不斷發展，集成度的不斷提高以及數模混合系統在電子信息系統領域的廣泛應用，電器應用行業對模擬集成電路的設計提出了更高的要求，高集成度、低能耗和高性能的電子器件的需求量越來越多。本文以CMOS工藝為例，對設計高增益、低噪聲的高性能運算放大器的設計進行了簡要分析。

參考文獻：

[1]王好德，王永順，史琳，荊麗，趙文浩.高性能CMOS運算放大器的設計[J].微電子學，2011.

[2]李冰冰，楊明.一種高性能CMOS集成運算放大器的研究與設計[J].宿州學院學報，2013.

[3]譚磊.幾類運算放大器的基本特性及設計要素[J].電子技術應用，2012.

[4]譚明.一種大動態寬帶放大器的研究與設計[D].湖南大學，2013.