一个对温度不敏感的高增益运算放大器设计

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0 引言
    运算放大器的用途非常广泛，是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整部分，大量具有不同复杂程度的运算放大器被用来实现各种功能，从直流偏置到高速放大或者滤波等。在很多功率电路中，对运算放大器的温度特性要求很高。例如，应用于功率放大器控制电路中的运算放大器，由于功率放大器是大功率器件，自身消耗的功率大，将导致功率放大器芯片的温度变化很大。因此要求控制电路中运算放大器的增益、稳定性等受温度影响要小。

1 运算放大器的结构选择
    运算放大器有很多种结构，按照不同的标准有不同的分类。从电路结构来看，有套筒式共源共栅、折叠式共源共栅、增益提高式和一般的两级运算放大器等。
    图1给出3种运算放大器的结构，分别为两级放大器、折叠式两级套筒OTA、折叠式两级联OTA。比较以上三种结构，发现折叠式的共源共栅0TA输入摆幅最大，输入共模电平容易选取，而且输入和输出可以短接。正是由于这些原因，折叠式共源共栅运算放大器更加广泛。同时考虑到不同电压温度条件下增益要达到110 db，因此采用两级运算放大器。




                          
                       
                          
                               

2 折叠式共源共栅全差分运算放大器的原理
    共源共栅结构的设计思路是将输入电压转化成电流，然后将他作为共源共栅级的输入，共源共栅级电流的变化再转化为输出电压的变化。一个完整的全差分折叠式共源共栅全差分运算放大器包括偏置电路、共模反馈电路和主体电路3个部分。
2．1 偏置电路分析
    本文选用宽摆幅偏置电路，如图2所示，它的主要单元是低压共源共栅电流镜，由PMOS和NMOS电流镜组成。首先，分析该电路的PMOS宽摆幅电流镜，该电流镜由M4～M8组成，假设取M5，M6的宽长比一样，那么M5，M6的过驱动电压也是一样的，要使他们都饱和，则M5漏端电压至少为2倍的过驱动电压。M5的主要作用是降低M6的漏源电压，这样M6能更好地匹配M4的电流。调节M5的尺寸，可以控制M6的漏源电压，一般M5的尺寸小于M6尺寸的1／4，取M5=1．5 μm。同时为了减小短沟道效应，M4，M5栅长要稍微长点，取L=1 μm。NMOS电流镜也是这样的。合理调节电路参数可以使系统的增益、相位裕度等受温度影响很小。




2．2 CMFb电路
    CMFb的实现有连续时间方法和开关电容方法。本文采用连续时间方法，如图3所示，共模采样端输出共模电平通过2个相等的电阻R采样。这种结构能确保在一个很大电压范围内会有全平衡输出口。Vref是共模参考电平，这个电路和M13～M17共同构成一个闭环负反馈回路，使共源输出级的共模电平近似等于Vref。由于这两级电路的内部都是低阻抗节点，因此可达到较大的开环单位增益带宽。一般情况下，只要共
模输入信号的带宽小于CMFb的单位增益带宽就可保证电路共模电平稳定。




2．3 主体电路
    本文采用带共源输出缓冲的全差分折叠式共源共栅结构，如图4所示，它的主要优点就是较高的增益，输入共模范围较大。
2．4 直流增益分析
    图4所示的运算放大器存在两级：折叠式共源共栅级增大直流增益和共源放大器。
    第一级增益：
   


    第二级增益：
   


    整个运算放大器的增益：


    因此，要提高运算放大器的增益，主要是提高相应的MOS管跨导和输出阻抗。同时合理地调节电路参数可以使增益、相位裕度等受温度影响很小。

3 折叠共源共栅全差分运算放大器的版图设计
    应该采用更加合理的版图布局，更加统一的连线和过孔连接等，使对称电路的寄生效应一致。在全差分运算放大器版图设计时，尤其要注意版图的对称。

                          
                       
                          
                               
4 仿真结果与分析
    基于TSMC0．18μm工艺，版图设计如图5所示。对版图提取寄生电阻、电容，采用HSpice，Cadence软件进行模拟仿真。




    其中图6为频率响应随温度变化的曲线。从图6可以看出，最大增益可达115 dbm，相位裕度为70°，在整个温度范围内(-40～+125℃)增益变化仅为1 dbm，相位裕度仅变化5°。图7中电源电压从2．7 V变化到3．3 V范围内，该结构的运算放大器受电源电压影响很小，完全满足实际应用。





5 结语
    本文针对蓝牙功率放太器控制电路的要求，设计了一个对温度不敏感的运算放大器。采用宽摆幅的偏置电路、选取合理的电路参数等，消除了温度和电压对运算放大器性能的影响。