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高增益单级运放和增益自举电路设计

CHANBAEK 来源:模拟IC设计仿真笔记 作者: 童德君 2023-11-21 16:57 次阅读

一、套筒式(telescopic)单级单端输出运放

图片

figure 1 套筒式运放原理图

设计思路:

  1. 通过M9电流200uA,两条支路分别是100uA的电流。我们计算设计仿真的顺序是:M9-M7M8-M5M6-M1M2-M3M4。
  2. M9电流大,过驱动电压给大些,Von9=300mV,I9=200uA,利用饱和区电流公式计算M9的W/L。偏置电压用Von+Vth算。
  3. M7M8的PMOS管本应该给大Von,但是其二极管连接,Vds大,由于沟道调制效应,所以给小Von=200mV,I=100uA,计算M7和M8的W/L。
  4. M5M6手工计算不准确,但还是得初步计算。I=100uA,pmos需给大Von=300mV,算出宽长比。偏置电压Vb1
  5. M1和M2,Von=200mV,I=100uA,计算宽长比。偏置电压Vcm=Vds9+Von1+Vth1。此时的Vth1和Vds9都需要仿真后查看再调整输入共模电压。
  6. M3和M4与M1和M2宽长比计算一样。Vb2= Vds9+Vds11+Von3+Vth3,同样需要仿真后回头调整。

图2是手算的记录:

图片

figure 2 telescopic手算

M5和M6最难调整,可以将其余的偏置电压确定后,用parametricanalysis扫描一下这两管子的宽,确定一个精确值。在TSMC180nm工艺下,我的电路的参数如下:

Vcc3V(W/L)912u/1u
Vcm1.2V(W/L)7,860u/1u
Vb11.3V(W/L)5,627u/1u
Vb21.6V(W/L)3,413u/1u
Vb3775mV(W/L)1,213u/1u
CL3pF

DC仿真结果如下:

图片

ac仿真结果如下,低频增益78dB。

图片

图片

二、折叠共源共栅单级单端输出运放

图片

figure 3 折叠共源共栅运放电路原理

设计步骤与telescopic差不多,主要就是每个偏置电压需要多次仿真调节,M5和M6的宽长比很敏感,需要parametricanalysis扫描一下。图4是手算记录:

图片

figure 4 折叠共源共栅运放参数手算

在TSMC180nm工艺下,电路参数如下表:

Vcc3V(W/L)912u/1u
Vcm1.5V(W/L)7,860u/1u
Vb11.3V(W/L)5,629u/1u
Vb21.1V(W/L)3,414u/1u
Vb3775mV(W/L)1,212u/1u
Vb42.2V(W/L)9,1070u/1u
CL1pF(W/L)1154u/1u

dc直流仿真结果如下图:

图片

ac仿真结果如下图,低频增益69dB:

图片

图片

三、增益自举(Gain Booster)

增益自举原理如下图:

图片

将折叠共源共栅运放改进成下面的电路,并给出仿真直流参数:

图片

上面的电路的M5宽长比调节至关重要,要使其Vds恰好给M6提供偏置电压,而M6所需偏压和前述折叠共源共栅的M5和M6一模一样。在TSMC180nm工艺下,该电路参数如下表:

Vcc3V(W/L)912u/1u
Vcm1.5V(W/L)7,860u/1u
Vb11.3V(W/L)572u/1u
(W/L)629u/1u
Vb21.1V(W/L)3,4,1214u/1u
Vb3775mV(W/L)1,2=2(W/L)1312u/1u
Vb42.2V(W/L)9,1070u/1u
CL1pF(W/L)1154u/1u

ac仿真结果如下图,低频增益69dB(不知为何增益没有提高,但是GBW增大了一倍,猜测是引入了零点):

图片

图片

四、总结

不管是折叠共源共栅还是套筒式,电流源负载管M5和M6的偏置电压和宽长比总是最敏感的,需要多次仿真调整。

对于增益自举电路的加入,没能提升共源共栅运放的增益这点有待深入学习。

给过驱动电压Von一般:NMOS小些,PMOS大些,二极管连接的PMOS小些。

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