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一种革新的增益巩固共源共栅放大器的打算

文章作者:公司简介 上传时间:2020-03-27

  一种刷新的增益加强共源共栅放大器的安排

  摘要□□□□□:安排了一种合用于流水线A/D转换器的全差分跨导放大器□□□□□,通过采用单端放大器的增益加强方式□□□□,使运算放大器即具有较高的直流增益□□□,又有较小的面积及较好的幅员配合性。通过对遍及开闭定容共模负反应电道的刷新□□□□,改正了修造岁月减小了放大器输出共模的震颤。电道采用SMIC 0.18μm CMOS工艺□□□,并正在Cadence下对电道及幅员举行了仿真□□□□,结果解释□□□:小信号低频电压增益119.3 dB;单元增益带宽378.1 MHz;相位裕度60°。环节词□□□□:流水线ADC;增益加强;跨导放大器;开闭电容共模负反应;幅员0 弁言 跟着集成电道手艺的继续发达□□□□,高职能的运算放大器平凡使用于百般电道编制中□□□□□,公司简介它成为模仿和混淆信号集成电道安排的重心单位电道□□□□□,其职能直接影响电道编制的全体职能。行为当代模仿集成电道的一个紧张片面□□□□,A/D转换器跟着集成电道手艺的发达而发达。跟着数字无线电等外面的提出□□□□,高速高精度模数转换器成为人们查究的宗旨□□□,而这也为运算放大器提出了更高的条件。正在古板构造越来越束缚放大器目标的功夫□□□,Bult.K.提出的增益加强构造不妨正在不影响带宽的条件下有用地降低运放的开环增益□□□□,使得安排高职能放大器变的尤其容易。 本文安排了一种采用增益加强构造的带开闭电容共模反应的折叠式共源共栅跨导运算放大器□□□□,可用于流水线构造的A/D中。出于对职能及幅员成分的商酌□□□□□,采用了单端放大器行为增益降低辅助放大器。并通过刷新共模负反应电道□□□□,使得放大器输出共模反应电压安宁更速□□□□,震颤更小。本安排正在Cadence情况下对运放的电道和幅员举行了仿真。结果解释□□□□□,放大器的各项职能参数到达了理思的成就。1 电道构造的说明与安排 CMOS跨导运算放大器常用构造有两级放大构造、套筒构造和折叠共源共栅构造等花样。两级放大构造的运放电道构造固然具有高增益、高摆幅等便宜□□□,但因为每一级起码引入一个顶点□□□□,为了保证全面放大器的相频性情知足条件□□□,须要分外的频率储积电道□□□□□,从而擢升了放大器的电流和功耗□□□□,束缚了放大器带宽□□□□□,同时低浸了放大器速率□□□,因而不行知足本安排中看待运放带宽和速率的条件。套筒式构造固然具有较高的增益、较好频率性情及较低功耗□□□□□,可是受到构造束缚□□□,其输出摆幅和共模输入局限小□□□,不知足安排条件。折叠式共源共栅构造针对套筒构造输出摆幅小的弊端举行刷新□□□□□,通过填充电道支数□□□□,降低功耗□□□,正在供给较高的增益条件下□□□,又知足了大带宽、高摆幅和高速的条件。通过折半叠共源共栅构造使用增益加强手艺□□□,可能正在不影响信号带宽、压摆率和相位性情的情形下进一步降低电道直流增益。因而□□□,公司简介针对本安排的奇特条件□□□□□,拣选了使用增益加强手艺的折叠式共源共栅构造。1.1 主运放电道 本文安排的折叠共源共栅运算放大器如图1所示。M0□□□,M1为差分输入对管;M2为差分对管恒流源;M4□□□□,M5为电流源;M6□□□□□,M7为共栅管;M8□□□□□,M10□□□□,M58□□□□□,M59为共源共栅电流源负载。因为NMOS管的载流子迁徙率更高□□□,采用NMOS管作差分输入级可降低运放增益和带宽。

  

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当无增益降低辅助运放时□□□□,主运放的小信号电压增益为□□□□□: c.JPG 可睹□□□,与基础的恒流源负载放大电道比拟□□□□□,输出节点的输出电阻增大gmRout倍□□□,于是共源共栅构造的运算放大器不妨供给高增益。

  1.2 开闭电容共模负反应电道 因为折叠共源共栅放大器须要极其精准的偏置电压才略使电道输出共模安宁正在一个固定值□□□□,因而务必引入一个共模负反应电道□□□,来使全面电道的输出共模安宁正在条件的输出电压共模上。常用的共模负反应电道分为相联岁月型共模负反应和开闭电容共模负反应两种。因为开闭电容共模负反应即无静态功耗□□□□□,又对放大器自身有较小的影响□□□□,因而本安排当选择了开闭电容共模负反应电道来安宁输出共模。图2为古板的开闭电容共模反应电道□□□,out+□□□□,out-为差分输出电压信号□□□□□,clock1□□□,clock2为两相不交叠时钟信号□□□□,Vcm为供对照的参考电压□□□□□,等于希冀输出的共模电压;为了供给大的输出摆幅□□□□□,普通取电源电压的一半□□□□□,Vt为偏置电道发生的偏置电压□□□□□,Vb1为发生的治疗电压□□□,用于安宁输出共模电压。

  

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因为开闭电容共模负反应须要不息预备输出共模和Vcm之间的差值来支配放大器□□□□,使其输出共模安宁正在须要的电压值上。看待古板的开闭电容共模负反应电道□□□□,一个时钟周期内有半个时钟周期须要C1□□□□,公司简介C2两个电容用来取Vcm与Vt的差值□□□,不行用来和输出共模影响发生反应电压□□□,因而共模电平修造速率较慢□□□□□,因而咱们再引入一组采样电容□□□□,使两组采样电容收罗Vcm与Vt的差值□□□,分离正在分别的时钟周期与输出电压的共模举行预备。如此电道减小了共模反应电压的修造岁月□□□□,减小了因为开闭开启闭断而形成的反应电压的震颤。刷新后的共模负反应电道如图3所示。 因为开闭定容共模负反应电道中的电容是直接挂正在输出节点上的□□□□□,过大的电容值会低浸放大器的带宽和压摆率□□□,同时□□□,为了减小动态开闭行动导致的时钟馈通效应以及其他寄生杂散电容的影响和后端工艺精度等题目□□□□,该电容值也不行太小。因而本安排中咱们取整个电容巨细为0.5pF。1.3 用于增益降低的辅助放大器电道 采用增益加强手艺□□□□□,不妨有用地降低运算放大器的直流增益□□□□,且不影响其速率。商酌到幅员构造对称看待减小放大器失调的进献□□□□□,本安排中引入4个单端电流镜共源共栅放大器行为增益降低放大器□□□,分成两组分离用于降低从共栅管处的等效电阻和共源共栅电流镜的等效电阻□□□□□,从而极大的降低了直流增益。辅助放大器采用电流输入□□□□□,通过输入管尺寸与相对应共栅器件尺寸的比例肯定辅助放大器从主放电道中输入的电流。比较古板的差分构造□□□,单端放大器可能更好的对称分散正在主放大器幅员两侧□□□□□,而因为放大器采用等比于主歧道的电流输入□□□,相看待电压输入的放大器□□□□□,湮灭了因为输入共模电压转折发生的影响。辅助放大器构造如图4所示。

  

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   因为辅助放大器输出摆幅有限□□□□□,增益较高□□□,故拣选了采用差分对管取样的共模负反应构造□□□,这种构造会束缚放大器输出摆幅□□□□,但却不会影响放大器增益□□□□□,而且功耗较低□□□□,因而适适用于辅助放大器中。共模负反应电道如图5所示。1.4 偏置电道 因为全面电道中有很众共源共栅管须要供给偏压□□□,因而采用了共源共栅宽摆幅电流镜来对这些管子供给偏置□□□,宽摆幅共源共栅电流镜正在确保电流复制精度的同时降低了摆幅□□□,使得电道正在确保输出摆幅的同时坚持寻常使命。宽摆幅共源共栅电流镜电道图如图6所示□□□,此中I2=I1。

  

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2 电道仿真结果 全面运放及其偏置电道采用SMIC 0.18μmCMOS混淆信号工艺举行安排□□□□,并正在Cadence情况下用Specture举行模仿仿真□□□□□,电源电压3.3V□□□,负载电容3 pF。对电道举行AC仿真□□□□,仿真结果显示电道直流增益119.3 dB□□□,单元增益带宽378.1 MHz□□□□□,相位裕度60°□□□□□,如图7所示。

  

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   放大器修造到输出电压0.1%精度时的修造岁月为7.9 ns□□□□□,测试波形如图8所示。

  

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   共模输入局限600mV~3.3V;电压输出局限0.6~3.1V;功耗39mW。3 幅员安排 全体电道网罗1个主放大器□□□□□,2个gainboost和1个共模负反应□□□,主放大器和gainboost各有本身的偏置电道。gainboost的偏置电道和gai-nboost放大器亲热就寝以使连线最短□□□□□,2个gainboot分离放正在主放大器两侧以使总体幅员对称□□□,开闭电容共模负反应放正在主放大器下面以使out+□□□□,out-和Vb1连线最短。主放大器做ABAB配合□□□□,采用双侧供电□□□□,以确保差模信号较好配合□□□□,主放大器偏置分拆正在主放大器两侧□□□□□,以使总体幅员样式尤其轨则井然□□□□□,公司简介减省面积。

  4 结语 先容了一种折叠式共源共栅运算放大器的安排。实质的安排仿真值为□□□□□:小信号低频电压增益119.3 dB;单元增益带宽378.1 MHz;相位裕度60°;修造岁月7.9 ns;电源电压3.3 V;共模输入局限600 mV~3.3 V;电压输出局限0.6~3.1 V;负载电容3 pF;功耗为39 mW。全面安排知足安排目标条件□□□□,并使用于欠采样手艺的12 b□□□,公司简介60 MHz流水线ADC安排中。

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