一種高增益高帶寬的全差分運算放大器設(shè)計

[關(guān)鍵詞]高增益；高帶寬；全差分運放；共模負(fù)反饋

引言

全差分運算放大器因其高增益、低噪聲、對電源和地的共模干擾抑制能力強(qiáng)等優(yōu)點，在現(xiàn)代模擬電路中得到了廣泛應(yīng)用。隨著通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和高性能測量儀器等對信號完整性和穩(wěn)定性要求的不斷提高，全差分運算放大器的設(shè)計也面臨新的挑戰(zhàn)。套筒式全差分運算放大器（TelescopicFully Differential Operational Amplifier）是一種能夠提供高增益和寬帶寬的結(jié)構(gòu)，該設(shè)計能夠做到高增益、寬帶寬和穩(wěn)定，非常適合現(xiàn)代高性能應(yīng)用需求。因此，設(shè)計一種高性能的套筒式全差分運算放大器，對于提高現(xiàn)代電子系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。

一、電路結(jié)構(gòu)選擇

（一）高增益高帶寬結(jié)構(gòu)選擇

常見的高增益的運算放大器主要包括套筒式共源共柵放大器和折疊式共源共柵放大器等兩級放大器結(jié)構(gòu)。鑒于偏置電流需同時供給輸入管和共源共柵晶體管，此類放大器通常伴隨著較高的功耗，進(jìn)而可能引發(fā)驅(qū)動電壓的顯著提高。此外，它們還面臨著電壓增益有限、極點頻率較低和噪聲較高的挑戰(zhàn)。另一方面，一級增益結(jié)構(gòu)的增益增強(qiáng)型運算放大器（也叫增益自舉放大器）能夠通過將電壓—電流型反饋技術(shù)融入共源共柵運算放大器的負(fù)載電流源設(shè)計中，實現(xiàn)顯著的增益提高。然而，在獲得高增益的同時，該類型放大器在速度和功耗方面的性能卻受到了限制，這是增益提高運算放大器的主要缺點。在折疊式與套筒式共源共柵放大器之間進(jìn)行比較時，采用套筒式結(jié)構(gòu)的二級運算放大器展現(xiàn)出了特定的架構(gòu)優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的全差分運算放大器如圖1所示。VB是偏置電壓，VOUT1和VOUT2是輸出端，Cc是補(bǔ)償電容，CL是負(fù)載電容，VIN1和VIN2為差分輸入端。

傳統(tǒng)的全差運放由差分對、單管放大和補(bǔ)償電容等組成。第一級增益差分對的跨導(dǎo)gm1與其負(fù)載電阻ro1的乘積，即A1=（gml·ro1//ro2），第二級增益為單管放大器結(jié)構(gòu)，其增益為第二級晶體管的跨導(dǎo)gm2與負(fù)載電阻ro2的乘積A2=（gm5·ro5//ro7），運放的增益等于Ao=A1×A2。米勒補(bǔ)償電容Cc用于補(bǔ)償兩個放大級之間的相位裕度。補(bǔ)償電容通常會影響放大器的高頻響應(yīng)。單位增益帶寬為fu=gm1/2πCc。

傳統(tǒng)的全差分運算放大器很難達(dá)到高增益和高帶寬，對共模噪聲和失調(diào)的抑制能力較弱。這是因為它們沒有專門的共模負(fù)反饋電路，容易受到共模噪聲的影響，尤其在高精度和低噪聲的應(yīng)用中，可能表現(xiàn)不佳。而折疊式輸入級功耗比較大。因此，本研究選擇套筒式共源共柵的輸入級和共源的輸出級的結(jié)構(gòu)，為保證兩級運放的穩(wěn)定性還采取了米勒補(bǔ)償技術(shù)對兩極點進(jìn)行補(bǔ)償。

（二）共模負(fù)反饋電路

為確保全差分運算放大器輸出共模電壓的穩(wěn)定性，研究中采納了共模負(fù)反饋電路。在平衡全差分運算放大器時，必須考慮以下四點。1．共模增益的控制至關(guān)重要。共模負(fù)反饋電路應(yīng)具備足夠的增益以穩(wěn)定共模電壓，然而增益過高可能會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。理想情況下共模負(fù)反饋電路的增益與單位增益帶寬應(yīng)與差分運算放大器的相應(yīng)參數(shù)相匹配。2．共模電壓的精確檢測是必要的，這通常通過取差分輸出信號的平均值來實現(xiàn)。3反饋環(huán)路的穩(wěn)定性是核心問題。必須確保共模反饋環(huán)路中不引入額外的相位延遲，以避免環(huán)路振蕩。因此，需要精心設(shè)計補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并可能需要在CMFB電路中加入適當(dāng)?shù)念l率補(bǔ)償元件以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4．共模信號檢測器應(yīng)具備良好的線性特性。

二、電路設(shè)計

（一）全差分運算放大器電路

圖2為本文的全差分運算放大器電路結(jié)構(gòu)。該電路通過差分級對輸入的差模信號進(jìn)行放大處理。套筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計旨在提高增益并優(yōu)化阻抗，以實現(xiàn)高增益。通過米勒補(bǔ)償和零點補(bǔ)償技術(shù)，電路能夠消除特定的相位延遲，從而提高相位裕度，并通過主導(dǎo)極點的控制來管理整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。輸出級采用單管放大進(jìn)一步提高增益。共模負(fù)反饋電路則通過比較共模電壓Vcm與共模基準(zhǔn)電壓Vref控制輸出電壓，以確保共模電壓的穩(wěn)定性。通過精心設(shè)計輸入級、套筒結(jié)構(gòu)、輸出級和共模負(fù)反饋電路，可以構(gòu)建出一個具備高性能且具有共模負(fù)反饋的套筒式全差分運算放大器。這種設(shè)計能夠在高精度和低噪聲應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，能夠有效抑制共模噪聲，并確保輸出共模電壓的穩(wěn)定性。

輸入差分對由一對匹配的NMOS晶體管NM2和NM3組成，主要通過連接到恒流源lbias提供穩(wěn)定的偏置電流。該對晶體管對輸入信號VIN1和VIN2的差模部分進(jìn)行放大，同時抑制共模部分。其結(jié)構(gòu)包括由NM1和NM2構(gòu)成的共柵放大器以及PMO-PM3組成的負(fù)載電流鏡。電流鏡的設(shè)計確保NM2和NM3的漏極電流基本相等，從而穩(wěn)定差分對的工作點。通過將共源極和共柵極放大器級聯(lián)，提高了電路的增益，增大了輸出阻抗。高輸出阻抗和低輸入電容相結(jié)合，賦予了套筒放大器較寬的帶寬，使其適用于高速應(yīng)用。輸出級由共源極配置的晶體管PM5和NM8組成，其中PM5的柵極連接到套筒級的輸出，源極接地，漏極連接到負(fù)載電流鏡，以提供較大的輸出驅(qū)動能力。VCM反饋電路通過調(diào)節(jié)差分對的偏置電流，使得輸出共模電壓保持在預(yù)定水平，從而避免共模失調(diào)。

補(bǔ)償部分為了確保放大器的穩(wěn)定性和良好的頻率響應(yīng)，需要通過米勒補(bǔ)償將主極點和次極點分離開來。假設(shè)主極點fp1設(shè)在單位增益帶寬的一個較低頻率，通常可以選擇fp1≈UGBW/Av=100mhz/100=1MHZ，次極點fp2通常會出現(xiàn)在更高的頻率，理想情況下應(yīng)遠(yuǎn)高于單位增益帶寬，以確保穩(wěn)定性。假設(shè)次極點在200 MHz以上。經(jīng)過推算Cc約為5p，Rin=1k。此時可以設(shè)計一個滿足增益100 dB、單位增益帶寬100 MHz和負(fù)載電容2pF的兩級運算放大器，以確保放大器在高頻下的穩(wěn)定性和良好的頻率響應(yīng)。

三、仿真結(jié)果與討論

本文OP的輸入電壓為1.6-2 V，增益為103.77 dB，相位裕度約為65°，增益帶寬為94 MHz，壓擺率為53.6 v／μs，CMRR為141.5 dB，電源抑制比為96.723 dB。

如圖3所示，在低頻時，全差分兩級運算放大器的增益為103.77 dB，當(dāng)開環(huán)增益下降為0dB時，全差分兩級運算放大器的相位改變了115.7°，所以相位裕度約為65°。同時，可以看到開環(huán)增益在0dB時的頻率為94 MHZ，所以單位增益帶寬為94 MHZ。

如圖4可知，壓擺率為53.6 v／μ s，這能使運放更快地響應(yīng)輸入信號的變化，從而在處理高頻信號、減少失真、改進(jìn)大信號性能、增強(qiáng)過渡態(tài)性能以及適應(yīng)廣泛應(yīng)用方面具有明顯的優(yōu)勢。較大的壓擺率還能使運放在輸入信號突然變化時更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖5所示，共模抑制比（CMRR）是衡量運算放大器對施加于兩個輸入端的共模信號抑制能力的指標(biāo)。此時，CMRR反映了運算放大器的抗干擾性能。CMRR的定義為運算放大器的差模增益與共模增益之比，即CMRR=20log（AVD/AVC）。本研究通過使用圖中所示的共模增益測試電路及其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行交流仿真，得到了電路輸出端的仿真結(jié)果：觀察到共模增益為-37.8分貝，而電路的差模增益為103.7分貝，因此計算得出電路的CMRR為141.5分貝。仿真結(jié)果表明，共模反饋（CMFB）機(jī)制有效地發(fā)揮了穩(wěn)定共模信號的作用。

PSRR是輸入電壓變化與輸出電壓變化的比值，通常表示為：

其中，△V-是負(fù)電源電壓的變化量，△VOUT是輸出電壓的變化量。電源抑制比為96.723 dB，能夠確保電源干擾對輸出信號的影響最小。

結(jié)語

本研究通過對增益帶寬、壓擺率、輸入級電流、補(bǔ)償電容等因素的詳細(xì)分析和仿真驗證，證實該運算放大器設(shè)計不僅可以滿足高增益、高壓擺率和寬帶寬的要求，還在穩(wěn)定性和抗干擾能力方面表現(xiàn)出色。高增益能夠確保微小輸入信號的有效放大，高帶寬可以滿足高速通信和快速響應(yīng)需求，有效抑制電源波動和共模噪聲，確保輸出信號的完整性和準(zhǔn)確性。此外，該運算放大器非常適合高精度、高速和高穩(wěn)定性的應(yīng)用，能夠在放大傳感器信號、高速數(shù)據(jù)通信和高頻模擬信號處理等領(lǐng)域發(fā)揮有效作用。

基金項目：2024江蘇省職業(yè)院校學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培育計劃項目：一種高穩(wěn)定性的單節(jié)鋰電池馬達(dá)驅(qū)動芯片設(shè)計（基金編號G-2023-0836）