高速高增益运算放大器的设计和应用.pdf

第 13 卷 第 2 期 电路与系统学报 Vol.13 No.2 2008 年 4 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS April ， 2008 文章编号：1007-0249 (2008) 02-0031-05 * 高速高增益运算放大器的设计及应用 朱颖， 何乐年， 严晓浪 （浙江大学超大规模集成电路设计研究所，浙江 杭州 310027 ） 本文设计了一种高速高增益放大器，该放大器通过增加全差分的共源共栅电路作为辅助放大器来提高运放 增益，并采用频率补偿和钳位管相结合的技术改善运放的频响特性，使得运放在通频带范围内类似于单极点运放，大 大减少了运放的转换时间。采用 SMIC 的 0.35μm 工艺模型进行仿真，结果表明，运放的直流增益达到 110dB，带宽 266MHz （负载电容Cload=1pF ），相位裕度 55° ，只需 10ns 即可达到 0.1% 的稳定精度，因而是一种有效的高速高精度 运放的实现途径。 运算放大器；高增益；高速 TN401 A 1 引言 随着数模混和电路应用的发展，对模拟电路的速度和精度提出了越来越高的要求。模拟电路的速 度和精度与运算放大器的性能有关，为了得到更快的速度和更高的精度，要求运算放大器具有更宽的 单位增益带宽和更高的直流电压增益。 本文设计的运放用于光电鼠标芯片中的 A/D 变换的采样放大级。整体设计要求采样放大器的采样 速率为 12~40MHz，直流电压增益 100dB。它的输入信号是 CMOS 图像传感器经双差分采样后的输出 信号，幅度为±0.4V ，经过开关电容电路构成的精确放大两倍的电路后，输出信号幅度为±0.8V 。 以上是本文提出的对运放的速度和精度的要求。在通常的情况下，两级运算放大器在实现高精度 的同时无法实现高速度[1] [1] ，共源共栅结构的运放在实现高速的同时无法实现高精度 。常规的高增益 运算放大器可以实现很高的精度[1] ，但是零极点对的存在严重影响了运放的稳定性和速度。为了同时 满足速度和精度的要求，本文提出了一种改进的套筒型增益提高运算放大器，该运放采用频率补偿和 钳位管相结合的技术改善运放的频响特性，减少运放的转换时间。另外为了达到加大输出摆幅的目的， 还增加了一级增益接近于 1 的线性输入/输出特性电路。仿真表明，运放的直流增益达到 110dB，带宽 266MHz （负载电容Cload=1pF ），相位裕度 55° ，只需 10ns 即可达到 0.1% 的稳定精度，完全满足光电 鼠标芯片采样放大级的要求。 2 电路结构 增益提高运算放大器使用折叠式共源共栅电路作为其辅助放大器，其实质就是通过反馈增加输出 阻抗，从而达到增加增益的目的。增益提高放大器的常规电路图如图 1(a)所示，改进电路图如图 1(b) 所示。常规的增益提高运算放大器的稳定性和转换时间常常受到零极点对的影响。如果零极点对所对 应的频率小于闭环运放的主极点，需要的转换时间便大大延长。 为了加快转换时间，在辅助放大器的输出端增加了补偿电容，使得零点和极点尽可能地接近甚至 对消。频率补偿后运放所表现的转换特性接近于单极点运放的转换特性，大大加快了运放的转换时间， 具体将在 3.1 和 3.2.1 中论述。 对于折叠式共源共栅电路来说，针对其特点，在辅助放大器输出端增加了一对栅漏短接的 NMOS 管，它们只在辅助放大器输出端的差值大于 Vth 时导通，起钳位作用并加快了运放的转换速率。而且 * 2005-01-25 ：2005-07-03 32 电路与系统学报 第 13 卷 只在大信号时工作，小信号时不起作用，因此对运放的精度不会造