一种高电流效率套筒式共源共栅运算放大器的设计

鲍占营

摘要：本文提出了一种非对称套筒式共源共栅放大器。同传统对称套筒式共源共栅运算放大器相比，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利用效率，该结构能够减小放大器的尺寸和功耗，同时不影响放大器的增益和输出摆幅。基于cadence spectre对电路进行了仿真验证，仿真结果表明，非对称套筒式共源共栅结构具有接近单端放大器的电流利用效率。

关键词：非对称;套筒式共源共栅放大器;带宽;跨导

0引言

放大器是最重要的集成电路之一，可以追溯到真空管时代。由于放大器具有很多有用的特性，所以已经成为当代高性能模拟电路和混合信号的主要选择。工作于负反馈状态的放大器是模拟电路的基本单元之一，广泛应用于模擬电路，例如ADC、仪表放大器、误差放大器等。

放大器可分为单端放大器与差分放大器。单端放大器结构简单，电流效率高，易于计算和使用，但无法完成差分信号的处理。差分放大器处理差分信号，有更高的电源噪声抑制比和更大的输出摆幅，但是相比于同类单端放大器有着更高的功耗和面积。共源共栅运放增益较高、结构简单、计算方便，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范围较高，但是多了输入对支路，有更多的电流消耗，电流利用效率较低。套筒式共源共栅输入共模范围较低，但是省了额外的输入对支路，相比于折叠式共源共栅有更高的电流效率。

1单端放大器与传统套筒式共源共棚结构分析

1.1单端放大器

单端放大器以电阻负载的共源极为例，如图1（a），M1为输入管，电阻RD为负载电阻，c1为负载电容，共源放大器工作原理简单，可以直接写出它的增益和增益带宽积。

由此可见，共源放大器所消耗的电流对放大器的增益带宽积都有贡献，可以认为放大器所消耗的1倍的电流贡献了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。其中左右输入对管和负载管尺寸个数完全相同，为对称式结构，其跨导为gm7，8，增益为：

套筒式共源共栅结构是常见的运放结构，这里直接分析稳态时小信号压差加在输入对两端时的小信号工作状态。当套筒式共源共栅结构两输入端有小信号电压vx变化时，假设Q点电压不变，电路工作点不发生变化，初始栅上电压为vo。假设其中反相端小信号电压升高，同相端小信号电压降低，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，根据基尔霍夫电流定律，我们有小信号电流Im7+Im8=0，即

套筒式共源共栅放大器结构简单，有很好的对称性，可以直接写出放大器的增益，但是流过差分对的2倍电流只贡献了1倍的输入级跨导与带宽，另1个对跨导与带宽不做贡献的输入管M8与负载M4、M6起到反馈与复制电流的作用，与单端放大器相比，流过决定输入跨导的MOS管的电流为尾电流ID2的一半，电流利用效率只有单端放大器的1/2，浪费了电流与芯片面积，电流与版图利用效率一般。

2非对称套筒式共源共栅结构

为了提高电流利用效率，同时降低MOS管的尺寸，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，两俱0MOS管的尺寸相同。本设计采用非对称式套筒式共源共栅结构，两俱OMOs的尺寸为10：1，即差分输入对和负载的宽长比的比值满足以下关系：

本次设计采用非对称套筒式，其反相端与负载的尺寸是同相端与负载尺寸的10倍。流过决定输入跨导的输入管M15的电流为10ID9/11，电流利用效率为10/11接近单端放大器，高于传统套筒式的1/2。

可以看出套筒式共源共栅的增益取决于输出一俱输入管的尺寸和电流，同时输入跨导也取决于输出一侧的输入管。

3仿真结果

采用0.5pm的BCDI艺，设计了非对称套筒式共源共栅放大器。基于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，负载电容设置为50nF，频率响应的幅频特性曲线如图2所示。可以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区别。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5.1kHz，采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50.9kHz。仿真结果与计算相符，非对称套筒式共源共栅放大器的带宽是传统套筒式共源共栅放大器的10倍。运算放大器的输入跨导取决于输出端支路，验证了上面的计算。

4结论

本文分析了传统套筒式共源共栅结构的小信号工作原理及其电流效率较低的问题，提出了非对称套筒式共源共栅结构，计算并验证运放的跨导与带宽取决于输出—侧的输入管的尺寸和漏电流。该结构充分地利用了差分对的尾电流，与同等带宽的传统共源共栅放大器相比，非对称式结构中对跨导和带宽没有贡献的放大器可以采用较小的尺寸和电流，有着更低的电流消耗和更小的版图面积。本文采用0.5um的BCDI艺设计了一款非对称套筒式共源共栅放大器，并与传统套筒式共源共栅放大器做对比。通过计算与仿真验证可以得出，非对称套筒式共源共栅结构具有更高的电流利用效率，更低的电流消耗以及更小的版图面积，可广泛应用于放大器电路中。