一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的规划

鲍占营 （湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105）

摘  要：本文提出了一种非对称套筒式共源共栅扩大器。同传统对称套筒式共源共栅运算扩大器比较，在相同 的带宽和输入跨导情况下，非对称套筒式共源共栅结构具有更高的电流运用功率，该结构能够减小扩大器的 尺度和功耗，一起不影响扩大器的增益和输出摆幅。依据Cadence Spectre对电路进行了仿真验证，仿真成果表 明，非对称套筒式共源共栅结构具有挨近单端扩大器的电流运用功率。 

关键词：非对称；套筒式共源共栅扩大器；带宽；跨导

0  导言 

扩大器是最重要的集成电路之一，能够追溯到真空 管年代。由于扩大器具有许多有用的特性，所以现已成 为今世高性能模仿电路和混合信号的首要挑选^[1]。作业 于负反应状况的扩大器是模仿电路的根本单元之一，广 泛应用于模仿电路，例如ADC、外表扩大器、差错扩大 器等。 扩大器可分为单端扩大器与差分扩大器。单端扩大 器结构简略，电流功率高，易于核算和运用，但无法 完结差分信号的处理。差分扩大器处理差分信号，有更 高的电源噪声按捺比和更大的输出摆幅，可是比较于同 类单端扩大器有着更高的功耗和面积^[1-2]。共源共栅运 放增益较高、结构简略、核算便利，是常用的差分放 大器。共源共栅运放有套筒式和折叠式两种，折叠式 共源共栅结构共模输入规模较高^[3-4]，可是多了输入对 支路，有更多的电流耗费，电流运用功率较低。套筒式 共源共栅输入共模规模较低，可是省了额定的输入对支 路，比较于折叠式共源共栅有更高的电流功率。

1  单端扩大器与传统套筒式共源共栅结构剖析 

1.1 单端扩大器 

单端扩大器以电阻负载的共源极为例，如图1（a），M1为输入管，电阻R_D为负载电阻，C_L为负载 电容，共源扩大器作业原理简略，能够直接写出它的增 益和增益带宽积。

直流增益为：

增益带宽积为：

由此可见，共源扩大器所耗费的电流对扩大器的增 益带宽积都有奉献，能够以为扩大器所耗费的1倍的电 流奉献了1倍的带宽。 

1.2 传统套筒式共源共栅结构 

传统套筒式共源共栅结构如图1（b）所示，M7、 M8为NMOS差分输入对，M3、M5和M4、M6为共源共 栅负载。其间左右输入对管和负载管尺度个数完全相同，为对称式结构，其跨导为g_m7,8，增益为：

套筒式共源共栅结构是常见的运放结构，这儿直接 剖析稳态时小信号压差加在输入对两头时的小信号作业 状况。当套筒式共源共栅结构两输入端有小信号电压VX 改变时，假定Q点电压不变， 电路作业点不发生改变，初 始栅上电压为V₀。假定其间 反相端小信号电压升高，同 相端小信号电压下降，那么 M7中的小信号电流向上，M8 中的小信号电流向下。但此 时Q点电压不变，因此，依据 基尔霍夫电流规律^[5]，咱们有 小信号电流Im7+Im8=0，即

由于M7、M8尺度完全相同，g_m7=g_m8，因此

即

这和Q点电压不变是共同的。相同M6的小信号电流 改变也是I_m1，又以电流镜的方法仿制给M5，则输出端 的小信号电流巨细为：

则，差分对的直流增益为：

与之前式子持平。 

增益带宽积为：

套筒式共源共栅扩大器结构简略，有很好的对称 性，能够直接写出扩大器的增益，可是流过差分对的2 倍电流只奉献了1倍的输入级跨导与带宽，另1个对跨导 与带宽不做奉献的输入管M8与负载M4、M6起到反应与仿制电流的效果，与单端扩大器比较，流过决议输入跨 导的MOS管的电流为尾电流I_D2的一半，电流运用功率 只要单端扩大器的1/2，浪费了电流与芯片面积，电流 与地图运用功率一般。

2  非对称套筒式共源共栅结构

为了进步电流运用功率，一起下降MOS管的尺度， 提出了非对称套筒式共源共栅结构。该结构原理图如图 1（c）所示。 

传统套筒式共源共栅结构对称性好，两边MOS管的 尺度相同。本规划选用非对称式套筒式共源共栅结构， 两边MOS的尺度为10:1，即差分输入对和负载的宽长比 的比值满意以下联系：

假如咱们假定M15管和M14管的直流电位持平，I_D9 为尾电流源电流，则

因此

假定运放两头的差分输入小信号为V_X，Q点电压不变，电路作业点不发生改变，初始栅上电压为V₀，输出 小信号电压为V_Y。依据基尔霍夫电流规律，咱们有小信 号电流I_m15+I_m14=0，即：

由于M15的尺度是M14的10倍，g_m15=10g_m14， 因此：

即：

M15、M14两头的小信号电压分别为V_X/11、10 V_X/11，M14管发生的小信号电流为（10/11）*V_Xgm14， 10倍电流镜仿制的小信号电流为（10/11）*V_Xgm14*10， M15管的小信号电流为（1/11）*V_Xgm15，则运放的直流 增益为：

增益带宽积为：

本次规划选用非对称套筒式，其反相端与负载的尺 寸是同相端与负载尺度的10倍。流过决议输入跨导的输 入管M15的电流为10 I_D9/11，电流运用功率为10/11挨近 单端扩大器，高于传统套筒式的1/2。 

能够看出套筒式共源共栅的增益取决于输出一侧输 入管的尺度和电流，一起输入跨导也取决于输出一侧的 输入管。

3  仿真成果 

选用0.5 μm的BCD工艺，规划了非对称套筒式共源 共栅扩大器。依据Cadence Spectre仿真器对传统套筒式 共源共栅和非对称套筒式共源共栅进行STB仿真^[6]，负 载电容设置为50 nF，频率响应的幅频特性曲线如图2所 示。能够明显地看出传统套筒式共源共栅结构和非对称 套筒式共源共栅结构幅频特性曲线的差异。传统套筒式 共源共栅结构的幅频特性为曲线①，其单位增益带宽约 为5.1 kHz，选用非对称式套筒式共源共栅结构的幅频特性为曲线②，其单位增益带宽约为50.9 kHz。仿真结 果与核算相符，非对称套筒式共源共栅扩大器的带宽是 传统套筒式共源共栅扩大器的10倍。运算扩大器的输入 跨导取决于输出端支路，验证了上面的核算。

4  定论 

本文剖析了传统套筒式共源共栅结构的小信号作业原 理及其电流功率较低的问题，提出了非对称套筒式共源共 栅结构，核算并验证运放的跨导与带宽取决于输出一侧的 输入管的尺度和漏电流。该结构充沛地运用了差分对的尾 电流，与平等带宽的传统共源共栅扩大器比较，非对称式 结构中对跨导和带宽没有奉献的扩大器能够选用较小的尺 寸和电流，有着更低的电流耗费和更小的地图面积。本文 选用0.5 μm的BCD工艺规划了一款非对称套筒式共源共栅 扩大器，并与传统套筒式共源共栅扩大器做比照。经过计 算与仿真验证能够得出，非对称套筒式共源共栅结构具有 更高的电流运用功率，更低的电流耗费以及更小的地图面 积，可广泛应用于扩大器电路中。

参考文献： 

[1] 毕查德+拉扎维(RAZAVI B). 模仿CMOS集成电路规划[M].西 安:西安交通大学出版社, 2003. 

[2] SANSEN W M C. Analog design essentials[M]. Springer, 2006. 

[3] ALLEN P E,HOLBERG D R. CMOS模仿集成电路规划[M]. 冯军,译.北京：电子工业出版社, 2007. 

[4] 林康-莫莱.模仿集成电路规划[M].陈晓飞,邹望辉,刘政林,等,译. 北京:机械工业出版社, 2016. 

[5] 邱关源.电路.第5版[M]. 北京:高等教育出版社, 2006. 

[6] 何乐年,王忆.模仿集成电路规划与仿真[M].北京: 科学出版社, 2008.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第47页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。