一种增益提升高速CMOS运算跨导放大器的设计(1)
一种高增益低噪声低功率跨阻放大器的设计与实现
第３２卷 第３期２００９年６月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌＯｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ．３２ Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２００９ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＨｉｇｈＧａｉｎＬｏｗＮｏｉｓｅａｎｄＬｏｗＰｏｗｅｒＴｒａｎｓ－ＩｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ倡ＴＡＮＧＬｉｔｉａｎ，ＺＨＡＮＧＨａｉｙｉｎｇ倡，ＨＵＡＮＧＱｉｎｇｈｕａ，ＬＩＸｉａｏ，ＹＩＮＪｕｎｊｉａｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｈｉｇｈｇａｉｎ，ｌｏｗｎｏｉｓｅａｎｄｌｏｗｐｏｗｅｒｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｕｓｉｎｇＴＳＭＣ０．１８μｍＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｉｍｉｎｇａｔｓｏｍｅｐｒａｃｔｉｃｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｈａｖｉｎｇａｈｉｇｈｐａｒａｓｉｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆ３ｐＦ，ＲＧＣｉｎｐｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔｆｅｅｄｂａｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｇｏｏｄｔｒａｄｅｏｆｆｂｅｔｗｅｅｎｇａｉｎ，ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｎｏｉｓｅ，ｄｙｎａｍｉｃｒａｎｇｅａｎｄｌｏｗｅｒｐｏｗｅｒｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅ：ｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｅｎｄｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅｇａｉｎｉｓ７８ｄＢ・Ω，ｔｈｅ－３ｄＢｂａｎｄ－ｗｉｄｔｈｉｓｂｅｙｏｎｄ３００ＭＨｚ，ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｉｎｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｎｏｉｓｅｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙａｔ１００ＭＨｚｉｓ６．３ｐＡ／Ｈｚ，ａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｓｏｎｌｙ１４．４ｍＷ．Ｔｈｅｄｉｅｓｉｚｅ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｌｌｔｈｅＰＡＤｓ）ｉｓａｓｓｍａｌｌａｓ５００μｍ×４６０μｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓ－ｉｍｐｅｄａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｒｅｇｕｌａｔｅｄｃａｓｃｏｄｅ（ＲＧＣ）；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｉｎｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｎｏｉｓｅｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙ；０．１８μｍＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥＥＡＣＣ：２５７０Ｄ；１２２０；５２３０一种高增益低噪声低功耗跨阻放大器设计与实现倡唐立田，张海英倡，黄清华，李 潇，尹军舰（中国科学院微电子研究所微波器件与电路研究室，北京１０００２９）收稿日期：２００９－０２－２０基金项目：国家自然科学基金资助（６０２７６０２１）；国家重点基础研究发展规划项目资助（Ｇ２００２ＣＢ３１１９０１）作者简介：唐立田（１９８３－），男，目前为中国科学院微电子研究所硕士研究生，主要研究方向为模拟与射频集成电路设计，ｔａｎｇ２００３８３１＠１６３．ｃｏｍ；张海英，女，研究员，中科院微电子所微波器件与集成电路实验室副主任，ｚｈａｎｇｈａｉｙｉｎｇ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ摘 要：采用ＴＳＭＣ０．１８μｍＣＭＯＳ工艺设计并实现了一种高增益、低噪声和低功耗跨阻放大器。
低电压高速CMOS全差分运算放大器设计双
运算放大器的设计首先要根据其用途选择一种合适 的电路结构，从运放的建立时问、开环增益、单位增益带 宽、相位裕度、输入共模范围、输出摆幅、功耗等方面性能 的限制进行结构设计。常见的全差分运算放大器有下面 几种类型：两级（ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ）式、套筒共源共栅（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ） 式、折叠共源共栅（ｆｏｌｄ—ｃａｓｃａｄｅ）式。
４‘结语
本文使用ＴＳＭＣ公司的ＣＭ０２５工艺
设计并实现了一个低压高速全差分运算放
大器。采用折叠共源共栅结构，在达到较高
的带宽同时，增大了输出摆幅。连续时间共
模反馈电路以及低压宽摆幅偏置电路，实现
（１）信置电路ＯＯ半电路小信号等效模型
图３偏置电路及半电路小信号等效模型
了电路的高稳定性。该运放在２．５ Ｖ电源 电压下，’单位增益带宽可以达到５０１ ＭＨｚ， 直流增益７１．６ ｄＢ，相位裕度５１。，功耗
Ｐ。《Ｐ，，更接近于原点，因此Ｐ２为折叠共源共栅运放的 主极点，Ｐ。为次极点。
要提高开环增益Ａ。，可以采取增加Ｍ８，Ｍ９的跨导和
１ ５】
沟逝长度，但将引起其源极寄生电容的增加和漏源饱和电 正减小，从而降低运放的次极点频率。同样增加Ｍ１０， Ｍ１１的沟道长度，会使Ａ。增加而次极点频率减小。考虑 到Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７不在信号通路上，因此可以增加其沟 道长度球增加输出阻抗，而不降低工作速度。
△ｇＭ９（ｒ２／／ｒｌｏ）ｒ９ Ｒ。。“Ｍ７一ｒ４＋ｒ７［１＋（ｇＭ７＋ｇＭ７ｂ）＾］
△ｇＭ７ ｒ７ ｒ４ ｒ为ＭＯＳ管的小信号输出电阻。负载电容Ｃ。远大于ＭＯＳ 管各端的寄生电容，ＣＬ△ｃＤ瞰＋ＣＤ曲＋ＣＤ酊。。
节点１对应的极点Ｐ。：
Ｐ－＝一石万勿习丽ｉ１冠ｉ而△一等
节点２对应的极点Ｐ。：
19_两级CMOS运算放大器的设计与spectrum仿真
LAB2 两级 CMOS 运算放大器的设计V DDirefM3 M4 M6xycvout vin1M1M2Vnvin2C LM7M8M53I d5一：基本目的：V SS图 1 两级 CMOS 运算放大器参考《CMOS 模拟集成电路设计第二版》p223.例 6.3-1 设计一种 CMOS 两级放大器，满足下列指标：A v = 5000V /V (74db )GB = 5MHzV out 范围=± 2VV DD = 2.5V C L = 10 pF ICMR = -1 ~ 2VV SS = -2.5V SR > 10V / μs P diss ≤ 2mW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克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能够采用共源共栅构造来极大地提高输出阻抗的值，但是共源共栅构造中堆叠的 MOS 管不可避免地减少了输出电压的范畴。
由于多一层管子就要最少多增加一种管子的过驱动电压。
这样在共源共栅构造的增益与输出电压范畴相矛盾。
为了缓和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构成，而大的输出电压范畴靠第二级这个共源放大器来获得。
C表1 典型的无缓冲CMOS 运算放大器特性二：两级放大电路的电路分析：图1 中有多个电流镜构造，M5,M8 构成电流镜，流过M1 的电流与流过M2 电流Id1,2 =Id 3,4=Id 5/ 2 ，同时M3，M4 构成电流镜构造，如果M3 和M4 管对称，那么相似的构造使得在x，y 两点的电压在Vin 的共模输入范畴内不随着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。
图1 所示，Cc 为引入的米勒赔偿电容。
表 2 0.5 μm 工艺库提供的模型参数p 1 p 2 z 1N P表 3 某些惯用的物理常数运用表 2、表 3 中的参数C OX = εox / t oxK ' = μ0C ox计算得到K ' ≅ 110μA / V 2K ' ≅ 62μA / V 2第一级差分放大器的电压增益为：A v 1 =第二极共源放大器的电压增益为-g m 1g ds 2 + gds 4（1）A v 2 =因此二级放大器的总的电压增益为-gm 6 g ds 6 + gds 7（2）A = A A =g m 1 g m 6=2g m 2 g m 6（3）v v 1 v 2 g + gg + gI (λ + λ)I (λ + λ)相位裕量有ds 2ds 4ds 6ds 7524667Φ = ±180 - tan -1(GB ) - tan -1(GB ) - tan -1(GB) = 60 Mp 2p 2v 1规定 60°的相位裕量，假设 RHP 零点高于 10GB 以上tan -1( A ) + tan -1(GB) + tan -1(0.1) = 1200tan -1(GB) = 24.30因此 p 2 ≥ 2.2GB即g m 6> 2.2( g m 2 ) C L C c由于规定60o 的相位裕量，因此g m 6> 10( gm 2 ) ⇒ g C c C c> 10g m 2可得到C c> 2.2C L10 = 0.22C L =2.2pF因此由赔偿电容最小值 2.2pF ，为了获得足够的相位裕量我们能够选定 Cc=3pF考虑共模输入范畴：在最大输入状况下，考虑 M1 处在饱和区，有V DD -V SG 3 -V n ≥ V IC (max) -V n -V TN 1 ⇒ V IC (max) ≤ V DD -V SG 3 + V TN 1在最小输入状况下，考虑 M5 处在饱和区，有V IC (min) -V SS -V GS 1 ≥ V Dsat 5 ⇒ V IC (min) ≤ V SS + V GS 1 + V Dsat 5（4）（5）而电路的某些基本指标有p 1 = -g m 1 A v C C（6）p = -g m 6 2C（7）Lz = g m 6 C C（8）GB =g m 1C C（9）CMR:正的 CMRV （最大）=V - V (最大) + V(最小)(10)inDDT 3 T 1负的 CMR V （最小）=V ++ V (最大) + V(饱和)(12)inSST 1 DS 5GB 是单位增益带宽 P1 是 3DB 带宽 GB= A v ⋅ p 1m 6W I 5 由电路的压摆率 SR =I d 5 得到C CI d 5 =(3*10-12)()10*106)=30μ A(为了一定的裕度， 我们取 iref I d 1,2 = I d 3,4 = I d 5 / 2 = 20μA下面用 ICMR 的规定计算(W/L)3= 40μA 。
跨导运算放大器
IB
1 exp
u id U T
(5.5)
i c2 i e2
u id 1 exp U T
IB
(5.6)
其中 uid = u i+ -u i - ，将式(5.5)的分子及分母同时乘以 exp
u id ，则有 2U T
i c1 i e1
I B exp
u id exp 2U T
u id 2U T u id exp 2U T
(5.7)
利用双曲正切函数 thx
e x ex ，由(5.7) 式可得 e x e x
i C1 i E1
u IB (1 th id ) 2 2U T
u id IB (1 th ) 2 2U T
(5.8)
同理由(5.6) 式可得到 ic2 的表达式如下
5.1 引言
跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，增益叫跨导，用 Gm 表示。集成跨导放 大器可分为两种，一种是跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier)，简称 OTA； 另一种是跨导器(Transconductor)。 跨导运算放大器是一种通用型标准部件，有市售产品，而且都是双极型的。跨导器不是通 用集成部件，它主要用于集成系统中进行模拟信号的处理，跨导器几乎都是 CMOS 型的。 双极型 OTA 和 CMOS 跨导器的功能在本质上是相同的， 都是线性电压控制电流源。 但是， 由于集成工艺和电路设计的不同， 它们在性能上存在一些不同之处： 双极型 OTA 的跨导增益值 较高，增益可调而且可调范围也大(3～4 个数量级)；CMOS 跨导器的增益值较低，增益可调范 围较小， 或者不要求进行增益调节， 但它的输入阻抗高、 功耗低， 容易与其他电路结合实现 CMOS 集成系统。 由于跨导放大器的输入信号是电压， 输出信号是电流， 所以它既不是完全的电压模式电路， 也不是完全的电流模式电路，而是一种电压／电流模式混合电路。但是，由于跨导放大器内部 只有电压一电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容 倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高，同时电路结构简单，电源电压和功耗都 可以降低。这些高性能特点表明，在跨导放大器的电路中，电流模式部分起决定作用。根据这 一理由，跨导放大器可以看作是一种电流模式电路。
低功耗多偏置新型CMOS跨导放大器的设计与仿真
3.1.13低功耗多偏置的新型跨导放大器的设计与仿真姓名1（1东北微电子研究所，辽宁沈阳 110036）摘要：本文主要对一种新型低功耗多偏置的新型跨导放大器进行了设计和仿真，根据管子宽长比的计算完成了电路结构的搭建。
在此基础上，运用Hspice模拟电路的仿真工具提出了网表，并完成了系统仿真设计。
在7.75V电源电压下，采用CSMC 0.5um工艺模型，可以驱动75pF的负载，相位裕度为65度，单位增益带宽为1.19MHz，静态功耗为3.43mW，实现了低功耗运算跨导放大器的良好性能。
关键词：带隙基准源，相位裕度，增益带宽，跨导放大器。
Abstract: In this article, a design method of low power new Gm_OTA is designed and made simulation , and the construction of circuit is finished on the basis of width and length . Basis on that, retiary is also established by Hspice Tool. At the same time, the simulation of the system model are accomplished. Under 7.75v, on the basis of CSMC 0.5um technics model, 75pF load is drived by the design, the phasic margin is 65 degree,the unit plus bandwidth is 1.19MHz,the static power is 3.43mW,and good capability of low power Gm_OTA is carried out.Key words: bandgap, phasic margin ,plus bandwidth, Gm_OTA.1引言：集成运算放大器是模拟集成电路中应用比较广泛的一种器件，随着半导体技术的发展和人类资源的有限，对各种用电器的节能效应越来越高，所以我们即便面对高电压，也要研究设计一种新型的低功耗运算放大器。
一种低压、恒跨导、轨对轨CMOS运算放大器设计
关键 词 ：低 压 ；恒跨 导 ；轨 对轨 ； 动 电流 源 浮 中 图分 类 号 ： ＴＮ４ ２ ３ 文献标识码： Ａ 文章 编 号 ：０ ９ ３ ４ （０ ０２ — １ ０ ０ １ ０ — ０ ４２ １ ）８ ８ ４ — ４
Ｉ ＳＳＮ １ ０ — ０ ４ Ｏ ９ ８ ４
Ｅ ｍａ ： ｆ ＠ ｃｃ ｅ． — ｉ ｋｙ ｃｃ． ｔ ｎ ｌ ｊ ｎ ｃ
ｈ ｔ ： ｗ ． ｎ ｓｎ ｔ ａ ｔ ／ ｗｗ ｄ ｚ ．ｅ ． ｐ／ ｃ Ｔ ｌ ８ — ５１ ５ ９ ９ ３ ５ ９ ９ ４ ｅ： ６ ５ － ６ ０ ６ ６ ０ ６ ＋
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Ｘ Ｕ ｉ ｅ ．ＬＩＢｉｇ Ｌ —Ｆ ｎｇ ｎ
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Ｔｈｅ ｏ ｐｕ ｔｇ ｍｐｌ ｓａ ｃａｓ ｕｔ ｔｓａ ｅ ｅ ｏｙ ｌｓ—ＡＢ ｏ ｒ ｉｃ ｉ ．ａ ｄ ｔ ｓｐ ｒ ｓｓ ｉｔｄ ｎｔ ｈｅ ｃ ｒｅ ｕｍｍ ａ ｏ ｏ ｒ ｖｅ ｈｅ Ｃｌｓ—ＡＢ ｏ ｔｏ ｃ ｎｔｏｌｃｒ ｕ ｔ ｎ ｈｉ ａｔｉ ｈｆｅ ｉ ｏ ｔ ｕｒ ｎｔｓ ｓ ｉ ｔ ｎ ｔ ｐ ｅ ｎｔｔ ａｓ ｃ ｎｒｌ
Ｃ ｍ ｕ Ｋ ｏ ｌ ｇ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ ｏ ｐ ￣ｒ ｎ ｗｅ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ电脑 知 识 与技术 ｄ ｏ
一种输入输出轨到轨CMOS运算放大器的设计
一种输入输出轨到轨CMOS运算放大器的设计李有慧【摘要】随着电源电压的日益降低,信号幅度不断减小,在噪声保持不变的情况下,信噪比也会相应地减小.为了在低电源电压下获得高的信噪比,需提高信号幅度,而输入输出轨到轨运算放大器可获得与电源电压轨相当的信号幅度.中文在理论分析了输入输出轨到轨CMOS运算放大器主要架构优缺点后,给出了一种新的输入输出轨到轨CMOS运算放大器的设计,该电路在华润上华0.18μm工艺平台上流片验证.测试结果表明,输入范围从0到电源电压,输出范围从50 mV到电源电压减去50 mV,实现了输入输出轨到轨的目标.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2015(028)006【总页数】5页(P165-169)【关键词】CMOS;轨到轨;运算放大器;米勒补偿【作者】李有慧【作者单位】无锡华润上华科技有限公司上海分公司,上海201103【正文语种】中文【中图分类】TN432;TN722轨到轨放大器是一种特殊类型的放大器，其共模电压范围可以从正电源电压到负电源电压［1］。
轨到轨放大器应用范围广泛，尤其在电源电压日益降低的情况下。
通常信号幅度会随着电源电压的降低而减小，在这种情况下，噪声对电路的影响会明显增大，信噪比则明显减小。
使用轨到轨放大器，可获得最大的信号摆幅，使噪声对电路性能的影响降低。
实现轨到轨的方法之一是使用耗尽型器件。
由于采用了离子注入技术，耗尽型器件的阈值电压可以是负值，尽管这种技术使得轨到轨输入级的电源电压可降低至1 V，但由于标准CMOS技术不支持耗尽型晶体管，因此这种方法在CMOS工艺中基本不被采用。
放大器的输出端易实现轨到轨，只需将两个输出晶体管的漏极相连，输出加容性负载，即可实现输出的轨到轨。
但在输入端实现轨到轨则较复杂。
原则上只能是折叠式共源共栅结构才能使输入端包含电源电压的轨。
这种技术是实现所有轨到轨输入放大器的基础。
文中探讨了一种两级恒跨导的轨到轨CMOS运算放大器，由轨到轨恒定跨导输入级、求和电路及AB类输出级构成。
一种增益可控高频宽带放大器的设计
• 128•随着人工智能及物联网技术的不断发展，高频宽带放大器在传输增益和功率放大等技术方面有着越来越高的要求。
本文针对宽带放大器传输增益的稳定性问题，设计了一种增益可控的高频放大模块，能够实现增益高精度可控的技术要求。
利用HMC470为主运算放大器，级联AD8009作为推挽输出后极，通过对主电路嵌入低功耗微处理器MSP430G2553单片机的方式,实现放大器的数控增益。
利用AD 软件仿真测试表明，该设计增益精确可控，稳定性较强，抗干扰能力较好，能够使用在高品质音响、民用雷达通信等场合。
1.引言随着电子、通信技术的飞速发展，增益可控制的宽带放大器发挥着越来越重要的作用（张玉钱，一种高增益宽带视频放大器设计：南京:南京理工大学，2015）。
在雷达通信、信号传输、电子测距等应用电路中，不仅要求高频放大器达到宽带的状态，还要求具有较精确的放大增益。
增益可控的宽带放大器件的发展，与集成运放在各行业的发展息息相关（杨洪文，可调节的宽带放大器在测试中的优势：国外电子测量技术，2017）。
目前，国内外对于可控的高增益宽带放大器的研究处于快速发展阶段。
何晓丰等（何晓丰，马成炎，叶甜春，王良坤，莫太山，数字控制增益可配置的射频宽带放大器：浙江大学学报(工学版)，2012）提出了一种带单端转差分功能的大动态范围的数字控制增益可配置的射频宽带放大器，用于双频段电视射频接收机的前端，提供了更高的线性度。
高瑜宏等（高瑜宏,朱平,一种高增益带宽积CMOS跨导运算放大器：微电子学，2017）设计了一种高增益可控的运算放大器，提出的多级前馈补偿结构改善了DC增益和增益带宽积，通过相位补偿的方式对放大增益进行控制。
本文使用单片机数字控制的方式，设计了一种增益可控的高频放大模块，不仅能够实现较高的直流增益，还具备增益高精度可控的技术要求。
2.放大器系统组成本设计主要由可控增益电路、单片机最小系统、电源模块组成，系统结构如图1所示。
一个用于14位采样保持电路的全差分增益增强放大器的分析和设计
一个用于14位采样保持电路的全差分增益增强放大器的分析和设计杨鑫;李挥【摘要】介绍了一种全差分增益增强CMOS运算放大器的设计和实现.该放大器用于14位20 MHz采样频率的流水线模/数转换器(A/D)的采样保持电路.为了实现大的输入共模范围,采用折叠式共源共栅放大器.主放大器采用开关电容共模反馈电路在获得大输出摆幅的同时降低了功耗.辅助放大器则采用简单的连续时间共模反馈电路.该放大器采用UMC Logic 0.25 μm工艺,电源电压为2.5 V.Hspice仿真结果显示,在负载为15 pF的情况下,其增益为104 dB,单位增益带宽为166 MHz.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2006(029)016【总页数】4页(P1-3,6)【关键词】CMOS;增益增强;开关电容共模反馈;模/数转换电路【作者】杨鑫;李挥【作者单位】北京大深圳研究生院,信息学院,广东,深圳,518055;北京大深圳研究生院,信息学院,广东,深圳,518055【正文语种】中文【中图分类】TN721.1无线通讯行业的发展对A／D的速度和精度要求越来越高，而这又直接转换为对运算放大器的要求。
A／D的速度和精度主要取决于运算放大器的瞬态响应能力。
高速度要求运算放大器有较高的单位增益频率和单极点建立模型；高精度要求运算放大器有高的直流增益。
而随着工艺尺寸和电源电压的不断降低，普通运算放大器大概能实现50～60dB 的直流增益。
而一些高精度A／D要求放大器的直流增益为100dB左右，两级放大器虽然能实现较高的增益，但其功耗太大，并且速度也很难满足要求。
K.Bult 在1990年提出的增益增强技术能够在不影响带宽和不显著增加功耗的前提下使运算放大器的开环直流增益提高几个数量级［1］。
单级放大器的结构主要有套筒式放大器和折叠式放大器，与前者相比，后者具有功耗大、折叠处寄生电容高等缺点，但他却具有较高输出电压摆幅，套筒式运算放大器多消耗一个过驱动电压，这在低压工艺中体现得越发重要。
跨导运算放大器
5.2 双极型集成 OTA
5.2.1 OTA 的基本概念
OTA 是跨导运算放大器的简称，它是一种通用标准部件。OTA 的符号如图 5.1 所示，它有 两个输入端，一个输出端，一个控制端。符号上的“+”号代表同相输入端， “-”号代表反相 输入端，io 是输出电流，IB 是偏置电流，即外部控制电流。 OTA 的传输特性可用下列方程式描述
186
式(5.10)是传输特性的精确表达式，显然 io 与 uid 之间具有非线性函数关系。在输入电压信 号很小，即 uid<<2UT 条件下，利用双曲正弦函数的特性（即当 x<<1 时，thx≈ x） ， 。则由式(5.10) 可得，io 与 uid 之间具有的近似线性关系为
io ic1 ic2 I B
i o G m ( u i u i ) G m u id
(Hale Waihona Puke .1)183式中 io 是输出电流；uid 是差模输入电压；Gm 是开环跨导增益。 通常由双极型集成工艺制作的 OTA 在小信号下，跨导增益 Gm 是偏置电流 IB 的线性函数， 其关系式为
G m hI B
h q 1 2 kT 2U T
VD6
-EE
图 5.4 基本型 OTA 电路
在图 5. 4 所示电路中，VT1、VT2 组成跨导输入级，它是共射差动式电路，输入电压信号， 输出电流信号，因此是跨导放大级。VT3 和 VD1 组成一个基本镜象电流镜，与结构框图 5.3 中 Mw 的作用相同，将外加偏置电流 IB 送到输入级作 VT1、VT2 的射极长尾电流。VT7、VT8、VT9 和 VD5 组成威尔逊电流镜， 起结构框图 5.3 中 Mz 的作用， VT8 与 VT9 的达林顿接法可提高电流 镜的输出电阻， 并联在 VT8 发射结上的二极管 VD4 用来加快电路的工作速度。 同理， VT4、 VT5、 VT6 与 VD2、VD3 组成威尔逊电流镜，起结构框图 5.3 中 Mx 的作用。VT10、VT11 和 VD6 组成第 三个威尔逊电流镜起框图中 My 的作用。输出端为 VT9 集电极与 VTl0 集电极的相交点。因此是 高阻抗输出端，输出电流为 VT9 集电极电流与 VT10 集电极电流之差。 如果上述电路中 4 个电流镜的电流传输比均等于 1 ，从而使得 ic9=ic2 ， ic10=icl ， io= ic9-ic10=ic2-ic1。因此，上述 OTA 电路的传输特性(即 io 与 uid 的函数关系)将由差动输入级的传输 特性来决定。