采样保持电路中全差分运算放大器的设计与仿真

 摘要：本文设计了一种全差分运算放大器，对运算放大器的AC 特性和瞬态特性进行了仿真分析和验证。该运放采用折叠式共源共栅结构、开关电容共模反馈（SC-CMFB）电路以及低压宽摆幅偏置电路，以实现在高稳定下的高增益和大输出摆幅。在Cadence 环境下，基于CSMC 0.6um 工艺模型，进行了仿真分析和验证。结果表明，运算放大器满足设计要求。

　　1 引 言

　　运算放大器是许多模拟系统和混合信号系统的一个完整部分，伴随着每一代CMOS 工艺，由于电源电压和晶体管沟道长度的减小，为运算放大器的设计不断提出新的挑战。在采样保持电路的设计中，运算放大器是最关键的模块之一，其带宽，摆率，增益，噪声，失调等性能直接决定了采样保持电路模块的速度，精度等性能。

　　2 折叠共源共栅结构

　　电路结构如图1 所示。

图1 折叠共源共栅运算放大器

　　运算放大器采用折叠共源共栅结构，采用NMOS 输入差分对MN1 和MN2。MN0 为输入差分对的尾电流源，向MN1 和MN2 提供直流偏置。MP1 和MP2 为电流源，向输入管和共源共栅管提供直流偏置。MP3 和MP4 为共源共栅管，用来提高运算放大器的增益。MN3，MN4，MN5 和MN6 是共源共栅电流镜负载，采用共源共栅结构可以提高输出阻抗。

　　与套筒式结构相比，折叠共源共栅结构放大器输出摆幅增大了一个过驱动电压，另外较大的共模输入范围是我们选择折叠共源共栅结构的主要原因。

　　3 开关电容共模反馈（CMFB）电路

　　由于采用全差分结构，而在高增益的全差分运算放大器中，输出共模电平对器件的特性和适配相当敏感，而且不能通过差模反馈来达到稳定，因此设计时增加了共模反馈电路模块，来稳定输出共模电平。共模反馈电路如图2 所示。共模反馈电路与主运放的连接如图1 所示。

图 2 共模反馈电路

　　该结构与电阻检测方式，运用MOSFET 作为源级跟随器和可变电阻的检测技术相比有明显优点。其工作流程如下，时钟信号在Φ1 相位时，为C1 充电，确定C1 两端的电压，在Φ2 相位时，将C1 与C2 并联，根据Vo1 和Vo2 平均值的大小确定输出共模电平。例如，（Vo1+Vo2）/2>VREF，则输出共模电平cmctl bias v > v ，从而使尾电流减小，最终导致输出（Vo1+Vo2）/2 减小，连续几个周期调整后，将使（Vo1+Vo2）/2≈Vref。从而达到控制输出共模电平的目的。

　　4 偏置电路

　　如图3 为放大器的偏置电路。MN1，MN2 及MN1，MN3 组成NMOS 电流镜，2，3 支路将镜像1 支路的电流，MP3，MP4 组成PMOS 电流镜，这样，4 支路的电流将镜像自3 支路。MP2，MP1，MN4，MN5 采用二极管连接方式，以提供主放所需要的偏置，1 支路所用电流源，在电路设计中已替换成沟道长度L 较大（可以提供高阻抗）的管，调整此PMOS 管的尺寸可以调整偏置电流，进而控制运放的增益，带宽及摆率等特性。

图 3 运算放大器的偏置电路

　　5 仿真验证

　　5.1 放大器的AC 特性分析

　　采用Cadence Spectre 仿真工具，CSMC0.6um 工艺模型进行仿真。得到如图4 的仿真结果。

图4 放大器AC 特性曲线

　　从而可以得到运算放大器的AC 特性，可以看出运算放大器是稳定的。

　　5.2 放大器的瞬态特性验证

　　在输入端加阶跃信号图，得到放大器瞬态特性验证结果曲线，如图5 所示。其中，图中上半部分两条曲线为输入差分信号（方波信号），下半部分两条曲线为输出信号。从而可以确定放大器的瞬态特性如表2所示。

图 5 放大器瞬态特性曲线

表放大器的瞬态特性

　　6 结论

　　在5V 电源电压下，基于CSMC0.6um 工艺模型，驱动1pF 负载时，运算放大器功耗为6.2mW，开环增益70dB，带宽54MHz，相位裕度77，摆率15V/us，建立时间95ns。可用于采样保持电路中。本文作者创新点：采用折叠共源共栅结构、开关电容共模反馈电路以及低压宽摆幅偏置电路，实现了在高稳定下的高增益、大输出摆幅和较大的共模输入范围。