一种高增益带宽积高摆率运算跨导放大器_杨帆.pdf

收稿日期:2022-09-09基金项目:国家自然科学基金(41875035);江苏高校优势学科期建设工程资助项目(PAPD)通信作者:杨帆,研究生,主要研究方向为数模混合集成电路设计。E-mail:1120545896 张加宏,副教授,博士,主要从事微电子技术、集成电路设计等方面的研究。E-mail:jhzhang 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023一种高增益带宽积高摆率运算跨导放大器杨 帆1,张加宏1,2,刘祖韬1,邹循成1,王 程1(1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044)摘 要:运算放大器(OTA)是模拟和混合信号集成电路中重要的构成模块,在各类电路中有着广泛的应用,人们希望运算放大器能以低电源电压运行的同时保持高增益带宽积,这就对运算放大器的性能提出了一定的要求,对此,基于折叠式共源共栅结构提出了一种高增益带宽积高摆率的运算跨导放大器。该 OTA 基于 0.18 m CMOS 工艺设计,电路主要包含自适应偏置电路、反馈回路、折叠式共源共栅运算放大器等模块,利用自适应偏置电路代替差分输入对的尾电流源,提升动态电流和增益带宽积,通过反馈回路进一步提升电路性能。利用 Cadence 软件对电路进行仿真,仿真结果表明,在其他指标变化不大的前提下,该运放的增益带宽积和摆率相较于传统的折叠式共源共栅结构分别约提升了 9 倍和 10 倍。关键词:运算放大器;增益带宽积;摆率;共源共栅中图分类号:TN722.7文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1543引用格式:杨帆,张加宏,刘祖韬,等.一种高增益带宽积高摆率运算跨导放大器 J.电子元件与材料,2023,42(5):598-603.Reference format:YANG Fan,ZHANG Jiahong,LIU Zutao,et al.An operational transconductance amplifier with highgain-bandwidth product and high swing rate J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):598-603.An operational transconductance amplifier with high gain-bandwidthproduct and high swing rateYANG Fan1,ZHANG Jiahong1,2,LIU Zutao1,ZOU Xuncheng1,WANG Cheng1(1.School of Electronics and Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and EquipmentTechnology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)Abstract:Operational amplifier(OTA)is an important component of analog and mixed-signal integrated circuits,which iswidely used in various circuits.Operational amplifiers are expected to operate at low supply voltage while maintaining its highgain bandwidth product,which put forward certain requirements for the operational amplifier performance.An operationaltransconductance amplifier was proposed with a high gain bandwidth product and a high swing rate based on folded cascodestructure.The OTA was designed based on 0.18 m CMOS process.The circuit mainly included adaptive bias circuit,feedback loop,folded cascode opamp and other modules.The adaptive bias circuit was used to replace the tail current sourceof differential input pair,thereby increasing the dynamic current and gain bandwidth product.The feedback loop was appliedto further improve the circuit performance.Cadence software was used to simulate the circuit.The simulation results show thatthe gain bandwidth product and swing rate of the improved folded cascode structure are about 9 times and 10 times higher thanthose of the traditional folded cascode structure under the premise of small variation in other indicators.Keywords:operational amplifier;gain bandwidth product;slew rate;cascode杨帆,等:一种高增益带宽积高摆率运算跨导放大器 伴随着移动和便携式电子设备市场的持续增长以及 CMOS 技术的发展,运算跨导放大器(OTA)作为模拟集成电路的基本构建块,在开关电容电路、低压差线性稳压器、模数(数模)转换器等电路中都占据着重要的地位,是系统提升性能的设计关键。越来越多的产品需要工作在低电源电压和低功耗情况下,这对运算放大器的性能提出了一定要求。而增益带宽积作为衡量运放性能的关键参数,如何在这种情况下保持高增益带宽积是如今运放设计的目标之一。单级和多级放大器的第一级最常使用的结构之一是折叠式共源共栅运算放大器,它虽然拥有较高的增益和输入输出摆幅,但并不能很好地适应当前以最低功耗实现最高性能的要求,主要原因在于它以电流源驱动最大电流而不向 OTA 提供任何跨导,并且它对摆率也有较大限制1-2。对此,一些学者提出了以下几种改进结构:Nakamura 等3-4提出了利用有源电流镜替换电流源的改进结构,该结构在不影响转换速率的前提下有效提升了增益带宽积和共模抑制比,但由此也会产生具有低频零极对的复杂结构,限制其在高频中的应用;Yan 等5-6提出了一种复用型折叠式共源共栅结构,提升跨导和输出电阻,从而改善了运放的增益带宽积和摆率;Yavari 等7-8利用传统折叠式共源共栅结构中所有空闲器件和正反馈交叉耦合晶体管来实现增益带宽积和摆率的提升。然而,这些结构均增加了额外的直流电流镜,会在附加分支内部复制大的动态电流,导致其功率效率降低9。并且,这些结构中折叠电流源晶体管仅产生电流来驱动器件,而没有为OTA 提供任何跨导,因此不能适应目前低电源电压工作的要求。针对上述问题,本文提出了一种基于折叠式共源共栅结构的改进型运算跨导放大器,该运放利用自适应偏置电路在差分输入对上为大输入信号生成不受尾电流源限制的动态电流,提高动态电流和增益带宽积;利用反馈回路将输入晶体管产生的电流通过跨导电路转换为电压来驱动空闲的折叠晶体管,提高输入级跨导;此外,该运放允许通过大的动态电流而不受静态电流的限制,显著提高了压摆率。经过仿真验证,该运放的增益带宽积和摆率相较于传统的折叠式共源共栅结构分别约提升 9 倍和 10 倍,能够适应目前低电源电压、低功耗工作的要求。1 折叠式共源共栅运算放大器传统的折叠式共源共栅运算放大器如图 1 所示10。由于 PMOS 输入折叠式共源共栅运放相较于NMOS 输入折叠式共源共栅运放具有更低的闪烁噪声和更高的非显性极点,且其共模输入电平也较低,因而通常采用 PMOS 输入折叠式共源共栅运放11。这里记 M11 提供 2I 的偏置电流,折叠电流源管 M3、M4均提供 2I 的偏置电流,故 M5 和 M6 支路均偏置于电流 I 下。图 1 传统折叠式共源共栅运算放大器Fig.1 Traditional folded cascode operational amplifier传统折叠式共源共栅运算放大器的跨导 Gm1和输出电阻 Ro1分别为:Gm1=gm1(1)Ro1=gm6ro6(ro2/ro4)/gm8ro8ro10(2)式中:gm n为晶体管 Mn 的跨导;ro n为晶体管 Mn 的输出电阻。电路的增益带宽积为:GBW1=Gm12 CL=gm12 CL(3)式中:CL为等效负载电容。电路的摆率如式(4)所示。995电子元件与材料SR1+=SR1-=2ICL(4)图 2 展示了一种复用型折叠式共源共栅运放,相较于传统结构,该运放利用有源电流镜代替折叠电流源管 M3、M4。为方便理解,将输入对管 M1、M2 分别分成两个相同的晶体管 M1A、M1B 和 M2A、M2B,有源电流镜 M3A、M3B 和 M4A、M4B 均为 K 1 的电流镜(通常 K 取 3)。图 2 复用型折叠式共源共栅运算放大器Fig.2 Recycling folded cascode operational amplifier复用型折叠式共源共栅运算放大器的跨导 Gm2和输出电阻 Ro2为:Gm2=gm1A(1+K)(5)Ro2=gm6ro6(ro2A/ro4A)/gm8ro8ro10(6)电路的增益带宽积为:GBW2=Gm22 CL=gm1A(1+K)2 CL(7)电路的摆率为:SR2+=SR2-=2KICL(8)传统的折叠式共源共栅结构需要大的直流电流来折叠差分输入对的电流,但是却不提供任何的直流增益,而复用型折叠式共源共栅结构由有源电流镜提供折叠电流,它缩放了差分输入对产生的电流。由于2gm1A=gm1,当 K 取典型值 3 时,复用型折叠式共源共栅运放的跨导 Gm2是传统共源共栅运放跨导 Gm1的 2倍,故增益带宽积也为 2 倍。复用型折叠式共源共栅运放的摆率 SR2为传统折叠式共源共栅运放摆率 SR1的K 倍。可以看出,复用型折叠式共源共栅结构相较于传统结构有效提升了跨导、增益带宽积和摆率,却没有增加电流消耗。但是复用型折叠式共源共栅结构也存在以下问题:首先,有源电流镜会同时缩放静态电流和动态电流,所以尽管复用型结构摆率提升,但它仍与电流 I 成正比,因此与静态功耗成正比;其次,有源电流镜会导致动态电流的内部复制,从而导致电流效率较低。2 改进型折叠式共源共栅运算放大器2.1 运放结构改进型折叠式共源共栅运算放大器如图 3 所示,它由自适应偏置电路、反馈回路、折叠式共源共栅运放组成。其中,自适应偏置电路采用翻转电压跟随器(FVF)来实现12,晶体管 M11、M13、M15 构成一个FVF,晶体管 M12、M14、M16 构成另一个 FVF,将两个 FVF 交叉耦合到差分输入对13;反馈回路由输入晶体管 M1(M2)、折叠电流源管 M3(M4)、自适应偏置电路、电流镜晶体管 M17(M18)、M21(M22)以及作为电 阻 的 晶 体 管 M19(M20)构 成;晶 体 管 M5(M6)、M7(M8)、M9(M10)构成运放的输出级。图 3 改进型折叠式共源共栅运算放大器Fig.3 Improved folded cascode operational amplifier006杨帆,等:一种高增益带宽积高摆率运算跨导放大器改进型折叠式共源共栅运放相较于传统结构,它利用自适应偏置电路代替尾电流源,这样可以设置低静态电流,同时可以在差分输入对上为大输入信号生成不受尾电流源影响的动态电流。反馈回路通过重新使用输入晶体管产生的电流来驱动空闲的折叠电流源管 M3(M4),从而提升运放的增益带宽积和摆率。在静态条件下,M19、M20 中没有压降,M21,M3 和M22,M4 作为一个普通的电流镜;当 Vid=Vin+-Vin-0 时,M1、M2 中电流的不同会通过反馈回路使得M19、M20 产生压降,从而导致 M3(M4)的栅极电压上升,在不增加静态电流的情况下提升了输出电流,摆率也因此得到提升。具体来讲,以电路的左半边为例,FVF 通过晶体管 M15 实现 M11 以直流电流 0.5I 偏置,M13 以直流电流 I 偏置,M17 和 M13 构成一个 1 2 电流镜,M21和 M3 构成一个 1 3 电流镜,通过晶体管 M19 以重新使用输入差分对的电流来驱动 M3。在静态条件下,VSG1=VSG2=VSG11=VSG12,故差分输入对的静态电流为0.5I,M17 支路上电流与差分输入对电流相等,即0.5I,M3 上流过的电流为 1.5I,输出回路上流过的电流为 I。当 Vid0 时,M1 上流过的电流 I1小于 M2 上流过的电流 I2,通过反馈回路使得 M18 上电流 I18小于M17 上电流 I17,因此晶体管 M19 上产生 ro19(I2-I1)/2的压降,该压降被添加到 M3 的栅极电压中去,从而导致输出电流提升,摆率提升;同理,当 Vid0 时,M4 栅极电压增加,导致输出电流增加,因此在不增加静态电流的情况下提高了摆率。2.2 增益带宽积改进型折叠式共源共栅运算放大器的跨导 Gm3为:Gm3=i3-i1V=gm1V ro19/ro17/ro21()gm3-2 gm1VV=gm1(ro19/ro17/ro21)gm3-2(9)式中:in是晶体管 Mn 的小信号电流;V 是小信号输入电压扰动。不难看出,相较于传统结构,改进型结构跨导增加了(ro19/ro17/ro21)gm3-2 倍。电路的输出阻抗 Ro3为:Ro3=gm6ro6(ro2/ro4)/gm8ro8ro10(10)增益带宽积为:GBW3=Gm32 CL=gm1(ro19/ro17/ro21)gm3-22 CL(11)由此可见,改进型折叠式共源共栅运放的增益带宽积相较于传统的折叠式共源共栅运放有所提升。2.3 摆率决定 OTA 性能稳定性的一个关键指标是摆率(SR),假设是容性负载,则有 SR=Io/C,其中:Io是最大输出电流,而负载电容 CL通常远大于输出节点电容,故 C=CL14。对于差分输入信号 Vid=Vin+-Vin-,当 Vid0 时,晶体管 M2、M4 的电流分别为:I2=122(I2+Vid)2(14)I4=42(V1-ro20Id2-VTH)2(15)式中:ro19、ro20是晶体管 M19、M20 的输出阻抗;VTH为阈值电压;n是晶体管 Mn 的跨导参数,其表达式为 n=n(p)Cox(W/L)n;V1=VTH+(I1+I2)/221;Id=(I1-I2)/2。电路的摆率为:SR3=(I3-I4)-(I1-I2)CL(16)计算得出,改进型折叠式共源共栅运放的摆率相较于传统的折叠式共源共栅运放有很大提升。106电子元件与材料3 仿真结果与分析三种运算跨导放大器基于 0.18 m CMOS 工艺,采用 Cadence IC617 进行设计和仿真,电源电压为 3.3V,负载电容为 40 pF。在运放的两个输入端之间加一个大小为 1 V 的交流信号,反相输入端和地之间加一个大小为 1.6 V 的直流信号,在 ADE 窗口中选择交流仿真,扫描变量为频率,扫描范围设置为 1 Hz 100MHz15,仿真结果如图 4 所示,图 4(a)显示的是幅频特性曲线,图 4(b)显示的是相频特性曲线,可以看出传统型、复用型、改进型三 种运放的 增益分别为73.89,81.78,89.59 dB,相位裕度分别为 89.77,89.31,73.64,增 益 带 宽 积 分 别 为 0.52,1.01,5.30 MHz。改进型折叠式共源共栅运放的 GBW 相较于传统型和复用型分别提升了 9.19 倍和 4.25 倍。将三种运放接成单位增益结构:反相输入端与输出端相连,同相输入端输入幅值为 1.6 V、周期为 20s、占空比为50%的方波信号,负载电容为40 pF,输出电压波形如图 5 所示。不难发现,传统型折叠式共源共栅运放正负摆率分别为 0.47 V/s 和 0.48 V/s,摆率受限严重,输出不能很好地跟随输入;复用型折叠式共源共栅运放正负摆率分别为 1.04 V/s 和 1.06V/s,摆率较传统型有所改善,但仍受到较大限制;改进型折叠式共源共栅运放正负摆率分别为 5.53 V/s 和 4.94 V/s,相较于传统型和复用型,平均摆率分别提升了 10.02 倍和 3.99 倍。文献7、文献11 进行了与本文类似的工作,将文献7、文献11和上述三种运放的参数归纳为表 1。根据表 1 可知,当电源电压为 3.3 V 时,与传统型折叠式共源共栅运放和复用型折叠式共源共栅运放相比,改进型折叠式共源共栅运放的增益带宽积和摆率均有较大提升,且其他性能参数没有显著变化。为了能够更加方便地进行性能的比较,定义了两个功率因数 FOM1、FOM2,其中:FOM1=GBWCLP(17)FOM2=SRCLP(18)式中:GBW 为运放的增益带宽积;CL为负载电容;SR 为正负摆率的平均值;P 为静态功耗;FOM1是用来衡量增益带宽积的指标;FOM2是用来衡量摆率的指标。不难看出 FOM1、FOM2的值越大,电路的性能越好,根据表 1 可知,该改进型运放 FOM1、FOM2值表现良好,与同类工作相比有一定优势。图 4 增益带宽积仿真曲线Fig.4 Gain bandwidth product simulation curves图 5 摆率仿真曲线Fig.5 Swing rate simulation curves206杨帆,等:一种高增益带宽积高摆率运算跨导放大器表 1 几种运放性能参数对比Tab.1 Comparison of several operational amplifier performance parameters类型传统型复用型改进型文献7文献11电源电压(V)3.33.33.3 1.251工艺(m)0.180.180.180.50.35负载电容(pF)4040402515增益(dB)73.8981.7889.5963.488.3相位裕度()89.7789.3173.648366.1增益带宽积(MHz)0.521.015.304.911.67PSRR(dB)88.7199.9399.1161.240CMRR(dB)107.32132.39121.318040噪声 10 kHz(nVHz-1/2)137.99126.98138.92-正、负摆率(Vs-1)0.47/0.481.04/1.065.53/4.942.7/3.32.53/1.37功耗(W)127.57126.69187.57437.5197FOM1(MHzpFW-1)0.160.321.130.280.89FOM2(Vs-1pFW-1)0.150.331.170.170.154 结论该改进型折叠式共源共栅运算跨导放大器通过自适应偏置电路给电路提供变化的偏置电流,从而提升动态电流和增益带宽积;利用反馈电路对折叠电流源晶体管进行了充分利用,使其既能产生电流,也能为运放提供一定的跨导;允许通过大的动态电流而不受静态电流的限制,使摆率得到提升。经过仿真验证,增益带宽积相较于传统型折叠式共源共栅运放和复用型折叠式共源共栅运放分别约提升了 9 倍和 4 倍,摆率则分别约提升了 10 倍和 4 倍。仿真结果表明,该改进型运放相较于传统型和复用型运放,在其他性能参数变化不大的前提下,增益带宽积和摆率均有较大提升,因此能够很好地适应目前低电源电压工作的要求。运放的电源电压为 3.3 V,功耗仅为 187 W,电路性能良好,可应用于移动通信、便携式设备和电源管理等低压低功耗领域。参考文献:1谢海情,陈玉辉,王振宇.一种低压低功耗恒跨导轨到轨运算放大器设计 J.电子元件与材料,2020,39(10):65-69.2宋明歆,关志强.一种改进输入级结构的轨至轨运算放大器设计J.电子元件与材料,2017,36(10):53-57.3Nakamura K,Carley L R.An enhanced fully differential folded-cascode op amp J.IEEE Journal of Solid-State Circuits,1992,27(4):563-568.4Adut J,Silva-Martinez J,Rocha-Perez M.A 10.7-MHz sixth-orderSC ladderfilterin0.35mCMOStechnology J.IEEETransactions on Circuits and Systems I:Regular Papers,2006,53(8):1625-1635.5王梦海,张春茗,严展科.一种增益和摆率提升的电流镜运算放大器 J.微电子学,2019,49(4):452-456.6Yan Z,Mak P I,Martins R P.Double recycling technique for folded-cascode OTA J.Analog Integrated Circuits and Signal Processing,2012,71(1):137-141.7Surkanti P R,Furth P M.Converting a three-stage pseudoclass-ABamplifier to a true-class-AB amplifier J.IEEE Transactions onCircuits and Systems:Express Briefs,2012,59(4):229-233.8Yavari M,Moosazadeh T.A single-stage operational amplifier withenhanced transconductance and slew rate for switched-capacitorcircuits 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