全差分共源共栅两级.pptVIP

全差分共源共栅两级运放的设计 * 45° 相位裕度 20MHz 单位增益带宽 80dB 开环增益 5V 单电源电压 预备知识 CMOS技术(互补MOS) (a)器件模型 (b)电路模型 预备知识 MOS管的器件模型与电路模型 当Vb0,Vs=0时，将有很多的空穴被吸引到衬底电极，留下大量负电荷，使耗尽层的厚度增加，而阈值电压Vth是耗尽层电荷总数的函数，从而使得Vb越负，阈值电压Vth越大，使得MOS器件的工作特性改变 预备知识 MOS管体效应 预备知识 MOS管沟道调制效应 MOS晶体管中,栅下沟道预夹断后、若继续增大Vds，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使Id增大，这种效应称为沟道长度调制效应。电路设计中是不希望Id随Vds变化的，因此要考虑沟道调制效应的影响。 预备知识 亚阈值导电性 分析MOSFET时，我们假设当VgsVth时器件会突然关断。实际当Vgs和Vth相近时，存在一个弱的反型层，并有一些源漏电流。甚至当Vgs Vth时，Id也不是无限小而是与Vgs成指数关系。这种效应称为“亚阈值导通效应”。 亚阈值导电会导致较大的功率损耗。 根据预期指标的要求，设计一个全差分运算放大器。单级的套筒式共源共栅结构具有较高的增益，可以满足本课题中对运放高速、高精度的要求，但它严重限制了电路的输出摆幅，因此，需要设计一种两级运放，将增益和摆幅的要求分开处理，以来满足运放增益、功耗、建立时间、输出摆幅、共模抑制比等各项指标要求。 备选运放结构 1.折叠式运放 折叠式共源共栅运放的输出摆幅较大，可以使输入和输出短路，可以使共模电平接近电源提供的一端电压。但折叠式共源共栅运放也有不足之处。由于偏置电流要提供给输入管和共源共栅管，因此通常会消耗大量功耗，驱动电压过高。除此之外，折叠式共源共栅运放的电压增益较低，极点频率较低且噪声较高。 备选运放结构 2.套筒式运放 套筒式共源共栅运放与折叠式共源共栅运放相比，套筒式运放的电压增益更高，更能满足运放设计对于高增益的需求。套筒式运放的优点在于，套筒式运放的速度快，功耗低，噪声低。但是套筒式运放也有不足之处：套筒式运放的输出摆幅较低，这种结构很难用输入输出短路的方式实现增益缓冲器，使得套筒式运放的闭环应用受到限制。 备选运放结构 3.增益提高式运放 增益结构的增益提高运放（也叫增益自举放大器）将电压-电流型反馈技术运用到共源共栅运放的负载电流源上，因此可获得很高的增益。伴随高增益的同时，其速度和功耗指标却受到了限制，这是增益提高运放的主要缺点。 中 高 中 中 高 增益提高运放 低 低 高 中 中 套筒式共源共栅运放 中 中 高 中 中 折叠式共源共栅运放 噪声 功耗 速度 输出摆幅 增益 运放结构 三种运放结构特性对比 综上，设计中选择增益较高的传统的套筒式共源共栅结构运放作第一级，选择简单的共源结构作第二级，提供高的输出摆幅和大的驱动电流。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结构的增益更大。总体设计由输入级、输出级、共模反馈电路、频率补偿电路和偏置电路组成。 下图为两级运放拓扑图 左图为两级运放拓扑图，M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8组成第一级套筒式结构，主要提供高增益来满足设计要求。M13为尾电流管。M11、M12、M13、M14管为第二级共源结构，提升运放的输出摆幅。其中Vb1、Vb2、Vb3 、由偏置电路提供电压偏置。Cc、Rc分别为补偿电路，CL为负载电容。 整个放大器要想高性能工作，偏置电路所提供偏置电压的大小和稳定性起到决定性的作用。偏置电路为放大器提供Vb1，Vb2，Vb3偏置电压，只要为偏置电路提供合适的基准电流ISink，并设置合适的宽长比，就能为放大器提供合适的偏置电压。 研究内容 二.偏置电路的设计 研究内容 三.共模负反馈电路的设计 在高增益放大器中，输出共模电平对器件的特性和失配十分敏感，放大器的高增益会带来上下电流源的不匹配，从而造成有些MOS管进入线性区影响正常工作。保证电路正常工作能够允许的共模输入范围也是极窄的。电路通常只在某个共模输入点上才能达到所需的增益，在其它的共模输出电平上，都因为电路的高增益使MOS管进入线性区而不能正常工作。所以必须利用“共模反馈”增加电路的稳定性。 套筒式运放在高增益的影响下必须稳定尾电流