基于5G 通信的差分運(yùn)算放大器的研究與設(shè)計(jì)

羅駿

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西桂林，541004）

0 引言

基于5G 通信技術(shù)的差分運(yùn)算放大器的研究與設(shè)計(jì)，分析 5G 通信技術(shù)與差分運(yùn)算放大器之間的關(guān)聯(lián)。5G 通信傳輸?shù)氖呛撩撞?，之前的頻率帶寬完全滿足不了，也由此對(duì)毫米波技術(shù)研究逐年深入。

設(shè)計(jì)的參數(shù)目標(biāo)是，在0.35umCMOS 工藝上，使用Cadence軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)基于5G 通信技術(shù)的差分運(yùn)算放大器，電路能到達(dá)預(yù)期指標(biāo)：開環(huán)直流增益：80dB，單位增益帶寬：200MHZ，相位裕度：70°，轉(zhuǎn)換速率：200V/ns，輸出擺幅:-1.6V～1.6V。

1 運(yùn)算放大器的原理與結(jié)構(gòu)比較分析

1.1 運(yùn)算放大器的原理介紹

運(yùn)算放大器，英文全稱是Operational Amplifier，縮寫為OPA，簡(jiǎn)稱運(yùn)放。其符號(hào)如下：

在上述圖2 中，是基本運(yùn)算放大器的等效電路。在圖中，Vd 是差分輸入電壓，是Vp 和Vn 兩個(gè)輸入端電壓的差值

圖1 運(yùn)算放大器的表述符號(hào)

圖2 理想運(yùn)算放大器等效電路

Av 為運(yùn)算放大器的增益，也叫無載增益。

我們可以通過選擇電路的結(jié)構(gòu)，或者增加緩沖級(jí)等諸多方法，使得實(shí)際運(yùn)放電路的增益和輸入輸出電阻接近一個(gè)理想的情況。

1.2 設(shè)計(jì)選型比較分析

1.2.1 簡(jiǎn)單的全差分結(jié)構(gòu)

在圖3 所示給出的是運(yùn)放電路中的全差分結(jié)構(gòu)，Vdd 表示電源電壓，Iss 代表了一個(gè)恒流源，NMOS 單管M1 和M2 構(gòu)成了一個(gè)輸入差分對(duì)，其他兩個(gè)PMOS 管M3 和M4 構(gòu)成兩個(gè)負(fù)載，從圖中可以得到最終輸出擺幅公式為：

圖3 簡(jiǎn)單全差分結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單全差分結(jié)構(gòu)增益并不高，通常為20dB～30dB。

1.2.2 套筒式共源-共柵結(jié)構(gòu)分析

為了具有更快的響應(yīng)頻率，便引出了套筒式共源-共柵結(jié)構(gòu)。其思路是提高運(yùn)放的輸出電阻以增大運(yùn)放電路的增益。具體結(jié)構(gòu)如圖所示4。它的低頻小信號(hào)增益公式為：

套筒式結(jié)構(gòu)的增益大約在60dB～70dB,但它的缺點(diǎn)是以減小輸入擺幅和輸出擺幅為代價(jià)去得到高增益的。如圖4 給出的套筒式全差分結(jié)構(gòu)，它的輸出擺幅為：

圖4 套筒式運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)

其中，V ODj表示Mj 管的過驅(qū)動(dòng)電壓，Vss 代表Iss 兩端的電壓。為了使M1 正常工作，讓它工作在飽和區(qū)，那么它的輸入電壓則必須滿足（7）的式子：

1.2.3 折疊式共源-共柵運(yùn)算放大器

以上討論結(jié)構(gòu)都存在著很大的缺點(diǎn)，由此引出了折疊式共源-共柵結(jié)構(gòu)，增益和擺幅這兩參數(shù)上都有不錯(cuò)的性能，具體電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示，這種結(jié)構(gòu)分離了輸入管，使管減少了在同一支路上層疊的現(xiàn)象。輸入電壓的范圍也比套筒式結(jié)構(gòu)增大了兩個(gè)過驅(qū)動(dòng)電壓，它的輸入電壓范圍用公式可表示為：

圖5 折疊式共源-共柵運(yùn)算放大器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

而其低頻小信號(hào)增益要比套筒式共源-共柵結(jié)構(gòu)要小一點(diǎn)，具體公式為：

設(shè)計(jì)這種電路思路是把輸入管給分離出來，從而使得在單獨(dú)的一條支路上盡可能減少管的疊加。這種接法的管優(yōu)點(diǎn)是輸出擺幅相較其他兩種結(jié)構(gòu)大，也可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出短接，還可以作為單位緩沖器等。但它的缺點(diǎn)也很明顯，多了兩條支路，功耗相對(duì)增加，同時(shí)噪聲也比其他兩種結(jié)構(gòu)大。

根據(jù)以上分析選擇以折疊式共源-共柵結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)基于5G 應(yīng)用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2 基于5G 通信的差分運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 兩級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)與仿真

目前最廣泛的應(yīng)用差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)就是兩級(jí)運(yùn)放，這種電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是比一級(jí)更容易得到高的增益，同時(shí)還能得到較高的輸出擺幅。為了同時(shí)發(fā)揮兩級(jí)運(yùn)放的兩大優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)時(shí)第一級(jí)由管M0～M10 組成，使用的是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，用來盡可能大的提高增益，第二級(jí)由管M11～M14 組成，使用的是以電流鏡為負(fù)載的共源放大器，可以得到較大的輸出擺幅。

在設(shè)計(jì)的電路中，如圖6 所示為輸入級(jí)，對(duì)它的開環(huán)直流增益進(jìn)行仿真，得到如圖如圖7 所示的結(jié)果，求得其增益為44.42dB。

圖6 輸入級(jí)輸出級(jí)

設(shè)計(jì)兩級(jí)運(yùn)放的輸出級(jí)為一個(gè)以電流鏡為負(fù)載的共源放大器，如圖8 所示，輸出級(jí)主要提供一個(gè)低的輸出阻抗以此來實(shí)現(xiàn)較大的輸出擺幅，其仿真結(jié)果如圖9 所示，在圖中橫坐標(biāo)代表頻率值，縱坐標(biāo)代表開環(huán)增益值，由此可得增益為89.43dB，單位帶寬為256.8MHz。

圖8 輸入輸出級(jí)

2.2 開環(huán)增益與單位增益帶寬仿真

運(yùn)算放大器的增益是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。增益表達(dá)式為：

差模增益仿真：由于信號(hào)差分輸入，因此兩個(gè)小信號(hào)應(yīng)設(shè)置為大小相同，方向相反的兩個(gè)變量。為方便計(jì)算，將差分量設(shè)置為1V，兩個(gè)小信號(hào)就各分0.5V。測(cè)量雙端的增益大小，得到測(cè)量結(jié)果。

如圖9 是二級(jí)運(yùn)放電路的開環(huán)增益與單位帶寬的仿真，在圖中橫坐標(biāo)代表頻率值，單位為Hz。縱坐標(biāo)代表開環(huán)增益值，單位為分貝，開環(huán)增益在頻率較小時(shí)是不隨頻率的變化而變化的，但當(dāng)頻率大到一定程度時(shí)，開環(huán)增益將隨頻率值的增大而減小。得到開環(huán)增益值為89.43dB,滿足初期預(yù)設(shè)指標(biāo)，單位增益帶寬達(dá)到256.8MHz，滿足預(yù)期指標(biāo)200 MHz。

圖9 開環(huán)增益與單位增益帶寬的仿真截圖

2.3 相位裕度仿真

相位裕度(Phase Margin, PM)是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定程度的的重要性能指標(biāo)。用仿真得到的增益波形圖和相位波形圖來計(jì)算。

為了運(yùn)放電路的穩(wěn)定性與運(yùn)放的響應(yīng)速度有一個(gè)相對(duì)完滿的折中,一般認(rèn)為相位裕度至少要45。對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用Candence 工具進(jìn)行相位裕度仿真，如圖10 所示，橫坐標(biāo)代表頻率值，單位為Hz，縱坐標(biāo)代表開環(huán)增益值，單位為分貝，再由M2、M3 可求得到相位裕度為92°，完全滿足本次論文的預(yù)期指標(biāo)70°。

圖10 相位裕度仿真

2.4 建立時(shí)間

建立時(shí)間是衡量運(yùn)算放大器速度的重要指標(biāo),它表示(階躍)從輸出開始到輸出穩(wěn)定的時(shí)間。測(cè)量時(shí)可以將輸入小信號(hào)設(shè)置為階躍信號(hào)。通過瞬態(tài)仿真和計(jì)算器求得。

如圖11 所示,橫坐標(biāo)代表時(shí)間，單位為納秒，縱坐標(biāo)代表電壓值，單位為伏特，得出建立時(shí)間仿真結(jié)果，用"Calculator"計(jì)算的時(shí)間值為15.31ns，完全滿足本預(yù)期設(shè)計(jì)需求。

圖11 建立時(shí)間仿真結(jié)果

2.5 轉(zhuǎn)換速率

轉(zhuǎn)換速率表征運(yùn)放對(duì)大信號(hào)的處理能力,其值越大表示其對(duì)信號(hào)的細(xì)節(jié)成分還原能力越強(qiáng)。

轉(zhuǎn)換速率其仿真截圖如圖12 所示，其中橫坐標(biāo)代表時(shí)間，單位為納秒，縱坐標(biāo)代表電壓值，單位為伏特，仿真圖值可用軟件自帶的計(jì)算器算出結(jié)果，其值為333.31V/us>200 V/us，滿足預(yù)期需求。

圖12 轉(zhuǎn)換速率仿真仿真結(jié)果

2.6 輸出電壓擺幅

擺幅:在正常情況下輸出的最大動(dòng)態(tài)范圍。由設(shè)計(jì)目標(biāo)要求擺幅大于3.2V，故需單邊擺幅大于1.6V。已知電源電壓為3.3V，則輸入管跟尾電流源可以分配最大為1.7V。為得到運(yùn)放輸出擺幅,仿真時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行直流掃描。將輸入小信號(hào)信號(hào)設(shè)置為變量，在DC 掃描設(shè)置時(shí),應(yīng)將掃描范圍設(shè)置為一個(gè)負(fù)值到一個(gè)正值，從而獲得雙邊擺幅。得到輸入輸出曲線后,將輸入在0 值附近的那段呈線性關(guān)系的范圍對(duì)應(yīng)的輸出作為放大器的擺副。其仿真結(jié)果如圖13 所示，可得到結(jié)果上擺為1.77V，下擺為-1.73V，滿足預(yù)期指標(biāo)。

圖13 輸出擺幅仿真截圖

3 總結(jié)

根據(jù)5G 傳播信號(hào)的特性設(shè)計(jì)出其傳播電路,從運(yùn)算放大器基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)出發(fā)，比較了這幾種電路的優(yōu)缺點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)。

對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，改進(jìn)MOS 管的寬長比，改進(jìn)偏置電壓所設(shè)值，所有MOS 管都處飽和區(qū)，設(shè)計(jì)出符合預(yù)期參數(shù)要求的電路。設(shè)計(jì)出一款在3.3V 的電源電壓下，增益為89.43dB、單位增益帶寬為256.8MHz、相位裕度為92°、輸出擺幅為3.4V、建立時(shí)間為15.31ns、轉(zhuǎn)換速率為333.31V/us完全滿足預(yù)期指標(biāo)。