王文龍

摘 要：運算放大器是數(shù)?；旌舷到y(tǒng)中重要的組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行水平，對高性能運算放大器進行深入研究具有廣泛的應(yīng)用價值。在集成電路設(shè)計工藝中，CMOS以其獨特的高集成度、低功耗等優(yōu)勢占據(jù)了市場的大部分份額，本文將以CMOS工藝為例，對其高性能運算放大器的設(shè)計要點進行分析。

關(guān)鍵詞：CMOS；高性能；運算放大器；設(shè)計

1 高性能運算放大器概述

1.1 CMOS運算放大器的性能指標(biāo)

運算放大器性能評價的主要指標(biāo)是選擇和應(yīng)用的主要依據(jù)，一般多采用定性或定量的方式對其進行描述。常用的性能評價指標(biāo)及相關(guān)內(nèi)容可見表1，以下各項性能指標(biāo)不是孤立存在的，而是互相制約，彼此影響，在實際設(shè)計過程中，是對部分關(guān)鍵性指標(biāo)進行設(shè)計。

表1 CMOS運算放大器性能評價指標(biāo)

[性能指標(biāo)＼&評價內(nèi)容＼&直流開環(huán)增益＼&表征運算放大器放大低頻信號的能力，開環(huán)增益越高，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。＼&單位增益帶寬＼&衡量運算放大器信號工作的重要頻率特性參數(shù)，主要決定其可響應(yīng)的最高信號頻率。＼&相位裕度＼&衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定度，相位裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但響應(yīng)時間延長。＼&輸入失調(diào)電壓＼&用于衡量運放對稱性，對稱性高的，失調(diào)電壓較小，其精度越高。＼&輸出電壓擺幅＼&輸出信號準(zhǔn)確的前提下能達到的最大電壓擺幅的峰值，電壓擺幅越大，運放性能越佳。＼&建立時間＼&運放閉環(huán)增益為1時，額定負(fù)載下輸入小信號激勵時輸出電壓達到指定精度所需要的時長，建立時間越短，電路對模擬信號處理的速度就越快。＼&壓擺率＼&表征運算放大器的頻率特征，體現(xiàn)運放的大信號瞬態(tài)響應(yīng)特性。＼&共模抑制比＼&運算放大器對作用在兩個輸入端的共模信號的抑制能力，是裝置抗干擾能力的表現(xiàn)。＼&電源抑制比＼&對電源噪聲的抑制能力，即當(dāng)電源電壓變化時運算放大器仍能保持穩(wěn)定不變的能力。＼&功耗＼&各級靜態(tài)電流之和與電源電壓的乘積，也稱為靜態(tài)功耗。＼&]

1.2 高性能運算放大器

由于運算放大器各項參數(shù)為互相制約的關(guān)系，因此高性能運算器并不是要滿足所有參數(shù)，而是根據(jù)實際需要，對放大器的某項參數(shù)進行設(shè)計，以使其應(yīng)用效果達到最佳。高性能運算器一般包括高精度、高速度、低功耗、低噪聲或者低失真等幾類。

2 CMOS高性能運算放大器的設(shè)計

2.1 增益級設(shè)計

運算放大器根據(jù)輸入結(jié)構(gòu)的不同可分為套筒式和折疊式兩種，套筒式運算放大器存在的主要不足是輸出擺幅較小，不利于閉環(huán)使用；折疊式運算放大器的輸出電壓浮動較大，可適用于閉環(huán)系統(tǒng)，因此具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

為實現(xiàn)高增益，可將折疊式運放電路和簡單放大器聯(lián)合使用，構(gòu)建兩級運放結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了高增益，還減小了輸入失調(diào)電壓的值；環(huán)路相位裕度通過密勒補償電容分離極點而實現(xiàn)；零點補償電阻則可用于抵消零點對環(huán)路穩(wěn)定性的不利影響，確保電路的穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)示意圖可見圖1。

如圖1所示，PMOS輸入對為M1和M2，其主要功能是將差動電流轉(zhuǎn)換成單端電壓輸出；NMOS晶體管偏置電流源為M4和M5；共源共柵管為M7和M8，可實現(xiàn)電位平移；M9柵極和M11的漏斷負(fù)載連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成了共源共柵級結(jié)構(gòu)，M9和M10被偏置在線性區(qū)的邊緣，在輸出擺幅中可節(jié)省一個PMOS闕值電壓。整個電路結(jié)構(gòu)為兩級增益，電路整體增益為第一級增益和第二級增益的成績，可達到90dB。

2.2 低噪聲運算放大器設(shè)計

低噪聲運算放大器主要是對運放輸入級、運放輸出級、運放補償級等內(nèi)容進行設(shè)計，以提高運算放大器抵抗噪聲的性能。

首先，共模輸出電壓的穩(wěn)定輸出，需要輸出級處于線性區(qū)，共模反饋電路（如圖2所示）在全差分結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。偏置電流由M15提供，其值由M20和M15的寬長比、IDC2共同決定；負(fù)載管M18和M19的漏源短接，可等效為1/gm18、1/gm19的負(fù)載電阻，使得流過M17的驅(qū)動電壓和電流減小。

其次，對運放輸出級的設(shè)計。CMOS運算放大器電路輸出級的作用是電流變換，應(yīng)具備輸出大信號功率的能力，這可通過甲乙類推挽式輸出級實現(xiàn)。如圖3所示，M21和M23為推挽輸出管，M20和M22作用主要為設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，以便提供適當(dāng)?shù)钠?，減少失真；另一作用是通過設(shè)置的改變，降低輸入電壓的失調(diào)。

最后，運放補償電路設(shè)計。補償電路在閉環(huán)狀態(tài)時，增益的增加會引起電路中自激振蕩，利用巴克豪森判據(jù)可知，當(dāng)環(huán)路總相移達到360°時，放大電路中含有RC回路存在附加相移，這就可能會導(dǎo)致原來的負(fù)反饋變?yōu)檎答?。要消除振蕩，需要采取必要的補償措施，可通過圖4所示的補償電路實現(xiàn)。

3 結(jié)語

隨著電路工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，集成度的不斷提高以及數(shù)模混合系統(tǒng)在電子信息系統(tǒng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電器應(yīng)用行業(yè)對模擬集成電路的設(shè)計提出了更高的要求，高集成度、低能耗和高性能的電子器件的需求量越來越多。本文以CMOS工藝為例，對設(shè)計高增益、低噪聲的高性能運算放大器的設(shè)計進行了簡要分析。

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