一個(gè)對(duì)溫度不敏感的高增益運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

0 引言

運(yùn)算放大器的用途非常廣泛，是許多模擬系統(tǒng)和混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)完整部分，大量具有不同復(fù)雜程度的運(yùn)算放大器被用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，從直流偏置到高速放大或者濾波等。在很多功率電路中，對(duì)運(yùn)算放大器的溫度特性要求很高。例如，應(yīng)用于功率放大器控制電路中的運(yùn)算放大器，由于功率放大器是大功率器件，自身消耗的功率大，將導(dǎo)致功率放大器芯片的溫度變化很大。因此要求控制電路中運(yùn)算放大器的增益、穩(wěn)定性等受溫度影響要小。

1 運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)選擇

運(yùn)算放大器有很多種結(jié)構(gòu)，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看，有套筒式共源共柵、折疊式共源共柵、增益提高式和一般的兩級(jí)運(yùn)算放大器等。

圖1給出3種運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)，分別為兩級(jí)放大器、折疊式兩級(jí)套筒OTA、折疊式兩級(jí)聯(lián)OTA。比較以上三種結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)折疊式的共源共柵0TA輸入擺幅最大，輸入共模電平容易選取，而且輸入和輸出可以短接。正是由于這些原因，折疊式共源共柵運(yùn)算放大器更加廣泛。同時(shí)考慮到不同電壓溫度條件下增益要達(dá)到110 dB，因此采用兩級(jí)運(yùn)算放大器。

2 折疊式共源共柵全差分運(yùn)算放大器的原理

共源共柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路是將輸入電壓轉(zhuǎn)化成電流，然后將他作為共源共柵級(jí)的輸入，共源共柵級(jí)電流的變化再轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。一個(gè)完整的全差分折疊式共源共柵全差分運(yùn)算放大器包括偏置電路、共模反饋電路和主體電路3個(gè)部分。

2．1 偏置電路分析

本文選用寬擺幅偏置電路，如圖2所示，它的主要單元是低壓共源共柵電流鏡，由PMOS和NMOS電流鏡組成。首先，分析該電路的PMOS寬擺幅電流鏡，該電流鏡由M4～M8組成，假設(shè)取M5，M6的寬長(zhǎng)比一樣，那么M5，M6的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓也是一樣的，要使他們都飽和，則M5漏端電壓至少為2倍的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。M5的主要作用是降低M6的漏源電壓，這樣M6能更好地匹配M4的電流。調(diào)節(jié)M5的尺寸，可以控制M6的漏源電壓，一般M5的尺寸小于M6尺寸的1／4，取M5=1．5 μm。同時(shí)為了減小短溝道效應(yīng)，M4，M5柵長(zhǎng)要稍微長(zhǎng)點(diǎn)，取L=1 μm。NMOS電流鏡也是這樣的。合理調(diào)節(jié)電路參數(shù)可以使系統(tǒng)的增益、相位裕度等受溫度影響很小。

2．2 CMFB電路

CMFB的實(shí)現(xiàn)有連續(xù)時(shí)間方法和開(kāi)關(guān)電容方法。本文采用連續(xù)時(shí)間方法，如圖3所示，共模采樣端輸出共模電平通過(guò)2個(gè)相等的電阻R采樣。這種結(jié)構(gòu)能確保在一個(gè)很大電壓范圍內(nèi)會(huì)有全平衡輸出口。Vref是共模參考電平，這個(gè)電路和M13～M17共同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋回路，使共源輸出級(jí)的共模電平近似等于Vref。由于這兩級(jí)電路的內(nèi)部都是低阻抗節(jié)點(diǎn)，因此可達(dá)到較大的開(kāi)環(huán)單位增益帶寬。一般情況下，只要共模輸入信號(hào)的帶寬小于CMFB的單位增益帶寬就可保證電路共模電平穩(wěn)定。

2．3 主體電路

本文采用帶共源輸出緩沖的全差分折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖4所示，它的主要優(yōu)點(diǎn)就是較高的增益，輸入共模范圍較大。

2．4 直流增益分析

圖4所示的運(yùn)算放大器存在兩級(jí)：折疊式共源共柵級(jí)增大直流增益和共源放大器。

第一級(jí)增益：

第二級(jí)增益：

整個(gè)運(yùn)算放大器的增益：

因此，要提高運(yùn)算放大器的增益，主要是提高相應(yīng)的MOS管跨導(dǎo)和輸出阻抗。同時(shí)合理地調(diào)節(jié)電路參數(shù)可以使增益、相位裕度等受溫度影響很小。

3 折疊共源共柵全差分運(yùn)算放大器的版圖設(shè)計(jì)

應(yīng)該采用更加合理的版圖布局，更加統(tǒng)一的連線和過(guò)孔連接等，使對(duì)稱電路的寄生效應(yīng)一致。在全差分運(yùn)算放大器版圖設(shè)計(jì)時(shí)，尤其要注意版圖的對(duì)稱。

4 仿真結(jié)果與分析

基于TSMC0．18μm工藝，版圖設(shè)計(jì)如圖5所示。對(duì)版圖提取寄生電阻、電容，采用HSpice，Cadence軟件進(jìn)行模擬仿真。

開(kāi)環(huán)增益的小信號(hào)如圖6，圖7所示。

其中圖6為頻率響應(yīng)隨溫度變化的曲線。從圖6可以看出，最大增益可達(dá)115 dBm，相位裕度為70°，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(-40～+125℃)增益變化僅為1 dBm，相位裕度僅變化5°。圖7中電源電壓從2．7 V變化到3．3 V范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器受電源電壓影響很小，完全滿足實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)藍(lán)牙功率放太器控制電路的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)溫度不敏感的運(yùn)算放大器。采用寬擺幅的偏置電路、選取合理的電路參數(shù)等，消除了溫度和電壓對(duì)運(yùn)算放大器性能的影響。