一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的设计
一种高增益CMOS全差分运算放大器的设计
邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注一种高增益CMOS 全差分运算放大器的设计Design of a High-gain CMOS Fully Differential Operational Amplifier(江南大学)李杨先顾晓峰浦寿杰LI Yang-xian GU Xiao-feng PU Shou-jie摘要:设计了一种用在高精度音频Σ-ΔA/D 转换器中的高增益CMOS 全差分运算放大器。
该运算放大器采用了套筒式共源共栅结构和开关电容共模反馈电路。
通过分析和优化电路性能参数,实现了高增益和低功耗。
采用SMIC 0.35μm CMOS 工艺,经Spectre 仿真验证,电路在3.3V 电源电压和2.6pF 负载电容条件下,单位增益带宽为110MHz,开环直流电压增益达76dB,功耗为1.4mW 。
关键词:运算放大器;套筒式共源共栅;高增益;A/D 转换器中图分类号:TN402文献标识码:AAbstract:A high -gain CMOS fully differential operational amplifier has been designed for the application to high -resolution audio Σ-ΔA/D converters.The telescopic cascade structure and the switched capacitor common -mode feedback circuit were adopted in this operational amplifier.High gain and low power dissipation were achieved by analyzing and optimizing the circuit parameters.The Spectre simulation using SMIC 0.35μm CMOS process shows that,with 3.3V power voltage and 2.6pF capacitor load,the circuit has a unity-gain bandwidth of 110MHz,an open-loop gain of 76dB and a power dissipation of 1.4mW.Key words:Operational amplifier;Telescopic cascade;High-gain;A/D converter文章编号:1008-0570(2009)10-2-0207-031引言运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中的一个重要电路单元,广泛应用于数/模与模/数转换器、有源滤波器、波形发生器和视频放大器等各种电路中。
共源共栅运算放大器的设计
共源共栅运算放大器的设计共源共栅运算放大器，也称为共源共栅放大器或共栅源跟随器，是常用的运算放大器电路结构。
它由共源放大器和共栅放大器组成，可以提供高增益、宽带宽并具有高输入电阻和低输出阻抗的特点。
下面将详细讨论共源共栅运算放大器的设计。
设计目标：1.高增益：希望放大器具有高增益，以提供较大的放大倍数。
2.宽带宽：希望放大器具有较宽的频带，以传输更高频率的信号。
3.高输入电阻：希望放大器具有较高的输入电阻，以不对被测电路产生影响。
4.低输出阻抗：希望放大器具有较低的输出阻抗，以不对后级电路产生影响。
设计步骤：1.选择晶体管：选择性能良好、参数稳定的晶体管作为放大器的关键部件。
常用的晶体管有MOSFET和JFET，选用适合的型号，使其性能满足设计的要求。
2.偏置电路设计：根据晶体管的工作条件，设计偏置电路以保证放大器的工作稳定性。
通常采用电流源和电阻网络来实现晶体管的偏置。
3.增益极化设计：确定放大器的增益级数和增益大小，并选择适当的分压比例和电阻值，使得输出电压能够满足要求。
同时考虑增益的稳定性，防止输出波形失真。
4.频率补偿设计：由于共源共栅放大器的频率响应受到极点和零点的影响，需要设计频率补偿电路来提高带宽。
常用的频率补偿方法有米勒补偿电容和并联补偿电容等。
5.输入和输出阻抗设计：通过选择合适的电路参数和组件数值，使得输入电阻和输出电阻达到所需的要求。
一般采用反馈电阻网络来实现输入和输出阻抗的调节。
6.功耗和温度设计：考虑到功耗和温度对放大器性能的影响，需要进行功耗和热量分析，并选择适当的散热器来保证放大器的长期稳定工作。
7.电源设计：根据放大器的电源需求，选择适当的电源电压和电源过滤电路，以保证放大器的工作正常和稳定性。
以上是共源共栅运算放大器的设计步骤。
在设计过程中，需要综合考虑各种因素，并根据具体的应用场景和要求进行优化。
通过合理的设计和调试，可以获得性能良好的共源共栅运算放大器。
全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路
一毕业设计（论文）进展情况60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。
在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。
GB GB GB ()()()p p z的相位裕量，所以2.2 10LC因此由补偿电容最小值即可以得到2m112'1g (/)(/)2/12N W L W L K I ==≅ 用负ICMR 公式计算5Dsat V 由式（12）我们可以得到下式15(min)IC SS GS Dsat V V V V =++如果5DS V 的值小于100mv ，可能要求相当大的5(/)W L ，如果5Dsat V 小于0，则ICMR 的设计要求则可能太过苛刻，因此，我们可以减小5I 或者增大5(/)W L 来解决这个问题，我们为了留一定的余度我们(min)IC V 等于-1.1V 为下限值进行计算152511(min)Dsat IC TN SS I V V V V β=---（）则可以得到的5Dsat V 进而推出555'2552(/)()Dsat S W L K V ==（I ）11/1≅即有58(/)(/)11/1W L W L =≅为了得到60°的相位裕量，6m g 的值近似起码是输入级跨导1m g 的10倍（allen 书p.211例6.2-1），我们设us g g m m 9421016==，为了达到第一级电流镜负载（M3和M4）的正确镜像，要求46SG SG V V =，图中x ，y 点电位相同我们可以得到6644(/)(/)64/1m m gW L W L g ==进而由6662(/)m Pd g K W L I '=我们可以得到直流电流 22m6m667''6666g g 113.72(/)2d d I I A K W L K S μ==== 同样由电流镜原理，我们可以得到7755(/)(/)32/1d d IW L W L I ==3、仿真和测量 （1）DC 分析图2 VOUT 、M5管电流、M7管电流、Vx 与Vy 与输入共模电压变化的关系图4 测量共模输入范围的电路图图5 运放的输入共模电压范围从图中可以得到输入共模范围满足设计指标(-1V~2V)（3）测量输出电压范围在单位增益结构中，传输曲线的线性收到ICMR 限制。
全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路解读
一 毕业设计（论文）进展情况运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分,也是构成这些系统的基本单元. 因而设计高性能的运算放大器可以使系统的总体性能得到提高。
一、两级运算放大器分析两级CMOS 运算放大器的设计V DDV SSM1M2M3M4M5M6M7M8VnC LC cvoutvin1vin2irefxy3I d5两级CMOS 运算放大器1、基本目标参照《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例6.3-1设计一个CMOS 两级放大器，满足以下指标：5000/(74)v A V V db = 2.5DD V V = 2.5SS V V =-5GB MHz = 10L C pF = 10/SR V s μ>out V V ±范围=2 1~2ICMR V =- 2diss P mW ≤ 相位裕度：60为什么要使用两级放大器，两级放大器的优点：单级放大器输出对管产生的小信号电流直接流过输出阻抗，因此单级电路增益被抑制在输出对管的跨导与输出阻抗的乘积。
在单级放大器中，增益是与输出摆幅是相矛盾的。
要想得到大的增益我们可以采用共源共栅结构来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅结构中堆叠的MOS 管不可避免地减少了输出电压的范围。
因为多一层管子就要至少多增加一个管子的过驱动电压。
这样在共源共栅结构的增益与输出电压范围相矛盾。
为了缓解这种矛盾引进了两级运放，在两极运放中将这两点各在不同级实现。
如本文讨论的两级运放，大的增益靠第一级与第二级相级联而组成，而大的输出电压范围靠第二级这个共源放大器来获得。
典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性 边界条件要求工艺规范 见表2、3电源电压 %105.2±±V电源电流 100Μa 工作温度范围0~70°特性要求增益 dB 70≥增益带宽 ≥5MHz建立时间 s μ1≤ 摆率 s /5μV ≥ICMR ≥V 5.1± CMRR ≥60dB PSRR ≥60dB 输出摆幅 ≥V 5.1±输出电阻 无，仅用于容性负载失调 mV 10±≤噪声 ≤100Hz nV (1kHz 时) 版图面积≤50002)(最小沟道长度⨯ 表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性2、两级放大电路的电路分析图1中有多个电流镜结构，M5,M8组成电流镜，流过M1的电流与流过M2电流1,23,45/2d d d I I I ==，同时M3，M4组成电流镜结构，如果M3和M4管对称，那么相同的结构使得在x ，y 两点的电压在Vin 的共模输入范围内不随着Vin 的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。
一种高性能CMOS集成运算放大器的研究与设计
中折 叠式 功耗大 、 噪声 较高 ， 所 以第 一级 电路 使用 了
套筒式 的共源共 栅结构 。 同时， 由 于 ＮＭＯＳ管 比
噪 比以及 解析 度等 。 设计 电路 要 同时兼顾 相位 裕 度 、
线性 度 、 带宽、 噪声 、 增益 等多 种指标 非 常 困难 ， 要 依 据实 际情 况有 取有 舍 。本文设 计 的运算 放大 器考 虑 噪声 性 能及保 持一 定 的线性 度 ； 同时 ， 考虑带 宽 及增
一
种高性 能 Ｃ ＭＯ Ｓ集成运算放大器的研究与设计
李 冰冰 ， 杨 明
１ ． 淮北职 业技 术学 院 电子信息 系 ， 安徽 淮北 ， ２ ３ ５ ０ ０ ０ ； ２ ． 亳州 师 范高等 专科 学校 理化 系 ， 安徽 亳州 ， ２ ３ ６ ８ ０ ０
摘要 ： 利 用 微机 电技 术 ， 使用 ０ ． １ ８微 米 的 Ｃ ＭＯ Ｓ工 艺 ， 实现 了一 种 新 型 的 全 差 分 结 构低 噪 声 运 算放 大 器 ， 供 电 电压
Ｖ Ｄ Ｄ
放 大 电路 的输 出发 生偏 差 ， 造 成 测量 误 差 或使 系统
发送 错误 动 作 。这 些影 响多 为噪声 ， 因此 ， 在 特定 条 件下（ 如 高灵 敏 度 ） ， 噪 声 干扰 仍 然是 一 个 不 可 回避 的问题 ， 本 文采 用 Ｃ Ｍ０ Ｓ工 艺设计 了一个 低 噪声 运 算 放大 器 。 主要对 噪声 进行 优化 。
况下， 若 要带 动 小负 载 ， 选 择 共 源 级 已可满 足 ， 其 另
一
益 。基于 以上 分析 ， 设计 采用 两级 运放 比较 合适 ， 初
步 的主 电路 如 图 １所示 。 ． 由于电路 的 等效输 入噪 声是输 出 噪声 比上 运放 的增 益 ， 因而 运用 共 源 共栅 结 构 可大 大 提 高运 放 的
全定制设计——共源共栅放大器
实践教学要求与任务:设计一个共源共栅放大器，满足如下要求：（1）电路面积最优；（2）负载10PF电容；（3）增益A=60；（4）不限其余参数；（5）采用gpdk0.18通用工艺库；（6）完成全部流程：设计规范文档、原理图输入、功能仿真、基本单元版图、整体版图、物理验证等。
工作计划与进度安排:第1-2天：讲解题目，准备参考资料，检查、调试实验软硬件，进入设计环境，开始设计方案和验证方案的准备；第3-5天：完成设计，经指导老师验收后进入模块电路设计（验收设计文档）；第6-9天：完成模块电路代码输入，并完成代码的仿真（验收代码与仿真结果）；第 9-10天：约束设计，综合（验收约束与综合结果）；第11-12天：布局布线，完成版图（验收版图结果）；第13-14天：物理验证、后仿真，修改设计（验收物理验证结果和时序仿真结果）；第15天：整理设计资料，验收合格后进行答辩。
摘要由于共源共栅放大器把电压信号转换为电流信号，而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号，如果将共源放大器输出的电流信号作为共栅放大器的输入，则构成了共源放大电路与共栅放大器的级联，即成级联放大器或共源共栅放大器，此结构放大器件与级联器件属于同一性质，可称为伸缩式级联。
本次课程设计利用全定制设计流程完成了一个共源共栅放大器，所有设计是在cadence公司全定制平台IC5141工具下完的，IC5141工具主要包括集成平台design frame work II、原理图编辑工具virtuoso schematic editor、仿真工具spectre、版图编辑工具virtuoso layout editor、以及物理验证工具diva。
设计流程（全定制）步骤包括以下内容，设计输入（Composer、ICStudio/DesignArchitecture、Sedit、ViewDraw）等，产生SPICE网表，模拟设计环境；设计验证（Hspice、Spectre、Eido、SmartSpice）等；版图编辑（Virtuso、ICStation、Ledit、Laker、CosmosLE）等包括各个Foundry的PDK；关于版图验证则需要的是DRC/ERC/LVS/LPE(Dracula/Diva/Asura、Calibre、Herculus、Tanner、Laker等；后仿真Tapeout。
高性能运放
高增益运放
——套筒式与折叠式运放，通过 CSCG 结构 提高了输出电阻，从而提高了电压增益。 负反馈可显著提高 CSCG 结构的输出电 阻，这种技术为：有源-共源共栅技术。 VCC Vb1 Vb1 Vout Vin Vin Vout
Vin
Vin Vb 2
Vb 2
轨对轨运放——在运放的输入级并联 NMOS PMOS 差动对，扩展输入共模电压。
全差动运放——将前面介绍的差入单出运放的差动输入级中的电流镜该为电流源负载即可。
在差入差出运放中，必须加入共模反馈电路，以稳定输出直流电平。基本思想：首先检测输出共模电平大小，并与 某个基准电压比较，然后利用比较多结果调节偏置电流的大小，使输出直流电平保持稳定。 折叠式 CSCG 差入差出运放 套筒式 CSCG 差入差出运放
20110819 模拟 CMOS 集成电路设计 魏延存等 清华出版社
套筒式共源共栅运放
VCC VCC VCC VCC
Vout Vb Vin
·
Vb 2 Vb1
Vout Vb Vin Vin
Vout Vb Vin
Vout 1
·
Vout
Vin
Vin
Vin
共源共栅结构，多 个管子在电源与地 之间垂直层叠起来 （故称之套筒式） ， 从而消耗了更多的 电压余度，使得输 出电压摆幅减小。
VCC Vb 4 Vb1 Vb 2
VCC
Vb1 Vout1 Vout 2 Vout1 Vb 2 Vb 3 Vb 3
Vin Vin
Vin
Vin
Vout 2
NMOS PMOS 差动对并联 折叠式 CSCG 运放
VCC VCC Vout Vin Vin Vout
·
套筒共源共栅运算放大器的mos管参数计算
套筒共源共栅运算放大器的mos管参数计算套筒共源共栅（Source Follower）运算放大器是一种常见的放大电路，由MOS管组成。
在这篇文章中，我将详细介绍套筒共源共栅运算放大器的MOS管参数计算方法。
我们需要明确套筒共源共栅运算放大器的结构。
它由一个MOS管的栅极和漏极之间串联一个电阻组成，形成了共源共栅结构。
这个结构中，MOS管的栅极和漏极分别是输入端和输出端。
在计算MOS管参数之前，我们需要先了解一些基本概念。
MOS管的工作点是指MOS管工作时的电流和电压值。
为了使套筒共源共栅运算放大器工作在最佳状态，我们需要确定MOS管的工作点。
MOS管的工作点可以通过偏置电压来确定。
在套筒共源共栅运算放大器中，我们通常选择漏极电流为恒定值，以确保放大器的稳定性和线性度。
因此，我们需要计算出电阻的值，并通过它来确定偏置电压。
接下来，我们需要计算MOS管的增益。
MOS管的增益可以通过计算输出电流和输入电流的比值来得到。
在套筒共源共栅运算放大器中，输出电流等于输入电流减去MOS管的漏极电流。
通过计算这两个电流的比值，我们可以得到MOS管的增益。
我们还需要计算输入电阻和输出电阻。
输入电阻是指输入端电压变化引起的输入电流变化的比率，输出电阻是指输出端电压变化引起的输出电流变化的比率。
通过计算输入电阻和输出电阻，我们可以评估套筒共源共栅运算放大器的输入输出特性。
我们还需要计算频率响应。
频率响应是指套筒共源共栅运算放大器对不同频率信号的放大程度。
通过计算频率响应，我们可以了解套筒共源共栅运算放大器在不同频率下的放大性能。
套筒共源共栅运算放大器的MOS管参数计算涉及到偏置电压、增益、输入输出电阻和频率响应等方面。
通过计算这些参数，我们可以全面评估套筒共源共栅运算放大器的性能，并进行合理的设计和优化。
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一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的设计
套筒式共源共栅运算放大器是一种常用的电路设计，可以实现高电流
效率的放大功能。
在设计这种电路时，需要考虑到放大器的性能指标、工
作原理和设计注意事项等方面。
首先，设计一个高电流效率的套筒式共源共栅运算放大器，我们需要
明确一些性能指标，如增益、带宽、输入和输出阻抗等。
在实际应用中，
增益通常为几十至上百倍，带宽通常在几十kHz至几百kHz之间，输入和
输出阻抗也需要具备匹配特性。
接下来，我们可以采取如下的套筒式共源共栅运算放大器电路设计方案：
1.工作原理：
套筒式共源共栅运放电路是将输入信号通过共源级电路进行放大，然
后通过共栅级电路进行输出，两级电路之间共享负载电阻，以提高电流效率。
2.器件选择：
可以选择n沟道MOSFET作为工作元件，因为它们具有较高的输入阻抗、低噪声以及低失真等特点。
3.共源级电路设计：
共源级电路负责信号的放大，输入信号通过电容耦合方式输入到栅极，并通过与源极串联的电阻实现负反馈，以提高放大器的稳定性和增益。
同时，需要注意源极电极和分压电阻的设计，以确定电流的设置。
4.共栅级电路设计：
共栅级电路负责输出信号的放大，在这个级别上需要设计合适数值的
电阻和电容，以确定放大器的带宽和阻抗匹配特性。
此外，为了保持共源
共栅级电路的偏置电位稳定，可以加入偏置电路。
5.电源电压选择：
根据放大器的需求，确定电源电压的选择，通常为几个伏特到几十伏
特之间。
6.电路布局：
将电路布局设计为紧凑且规整，以提高电路的稳定性和可靠性。
同时，要注意信号线和电源线之间的距离，以减小干扰。
7.仿真和优化：
在设计完成后，需要使用相应的电路仿真工具进行仿真和优化，以验
证电路的性能指标，例如增益、带宽和失真等，确保放大器能够满足设计
要求。
根据仿真结果，可以对电路进行优化和改进。
8.PCB设计：
最后，将电路设计转化为PCB布局图，并进行制板和组装。
在电路布
局过程中，需要注意信号线和电源线的走线，以及地线设计，以提升电路
的抗干扰性能、防止反馈和共模干扰。
总之，设计一种高电流效率的套筒式共源共栅运算放大器需要考虑多
个方面的因素，包括性能指标、工作原理、器件选择、电源电压、电路布局、仿真和优化、PCB设计等。
通过逐步设计和优化，可以得到性能稳定、电流效率高的放大器。