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高压摆率运放的研究与设计

2020-12-09阅读(745)

高压摆率运放的研究与设计

论文摘要

在ADC这样的数据转换系统中,采样／保持电路用于处理从前置抗混叠滤波器输出的信号。具有高压摆率的运放可用作构成采样／保持电路的比较器（或称一位模数转换器）。采用高压摆率运放是实现高速ADC的办法之一,用作比较器的运放的压摆率直接影响采样／保持电路的采样时间,进而影响ADC的数据转换时间。设计工具主要有：Cadence Virtuoso Schematic、Cadence Analog Design Environment、Cadence Layout Editor等,采用0.35μmBiCMOS模数混合信号工艺模型仿真,并以3.3V单电源供电。整个电路由高压摆率主运放、增益提升运放、共模反馈电路、宽幅镜像电流源电压偏置电路、基准电流源接入电路有机组合而成。由于采用3.3V电源供电排除了使用源端交叉耦合运放结构的可能,故文章采用一种“高压摆率输入级+镜像电流源运放”的结构来提高压摆率。高压摆率输入级能突破尾电流对负载电容充电的限制,但最终将受限于其中一个输入管的工作状态从饱和区过渡到线性区。镜像电流源运放结构则进一步将对负载的充电电流放大,但其镜像比例不能过大,否则会使输出电压摆幅降低到难以接受的地步。由于采用单级结构提高运放速度,造成运放增益较低。为解决此问题,设计中还引入了增益提升结构,使之能兼顾高压摆率和高增益这两个指标。该运放的压摆率最终达到1000 V/μs以上,开环增益在110dB以上,单位增益带宽超过500MHz,相位裕度为68°,具有较好的频率特性及稳定度。所设计的运放克服了尾电流对压摆率的限制,压摆率、单位增益带宽、相位裕度、开环增益等主要技术指标达到设计要求,但电路结构较为复杂,功耗也偏大,还有待进一步改进。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 背景及应用
  • 1.2 高转换速率运放的发展现状
  • 1.2.1 源端交叉耦合电路结构
  • 1.2.2 镜像电流源运放
  • 1.2.3 两单端输出镜像电流源运放组成的全差分运放
  • 1.3 主要内容
  • 第2章 主要电路模块介绍
  • 2.1 高压摆率输入级电路
  • 2.1.1 工作原理概述
  • 1、M2的源端小信号电压'>2.1.2 差分工作时M1、M2的源端小信号电压
  • 5和M6栅端的小信号电压增益'>2.1.3 差分工作时从输入端到M5和M6栅端的小信号电压增益
  • 2.1.4 差分工作状态的截止
  • 2.1.5 输入管漏端电流的最大值
  • v（s）'>2.1.6 主运放零极点分析及全频率增益Av（s）
  • 2.1.7 主运放的单位增益带宽及静态偏置电流
  • 2.1.8 主运放的共模输入范围及差分输入对管静态偏置电压的确定
  • 2.2 共模反馈电路
  • 2.2.1 全差分运放必须添加共模反馈电路的原因
  • 2.2.2 所采用共模反馈电路的分析与设计
  • 第3章 手工估算
  • 3.1 主要设计指标
  • 3.2 电路全景图
  • 3.3 ICMR及SR的确定
  • 3.4 主运放最顶层电路设计
  • 3.4.1 主运放最顶层电路
  • 3.4.2 最顶层电路中各支路静态电流
  • 3.4.3 主运放最顶层电路中各MOS管宽长比
  • 1的设计'>3.5 辅助运放A1的设计
  • u,Al与ωu,OL的关系'>3.5.1 ωu,Al与ωu,OL的关系
  • 1的设计指标'>3.5.2 A1的设计指标
  • c的最小值'>3.5.3 补偿电容Cc的最小值
  • 3.5.4 确定输入级各支路电流
  • 1、S0、S3、S2、S4'>3.5.5 计算宽长比S1、S0、S3、S2、S4
  • 5的参数gm5、S5、ID5'>3.5.6 N5的参数gm5、S5、ID5
  • 6的参数gm6、S6、ID6'>3.5.7 N6的参数gm6、S6、ID6
  • 3.5.8 确定互偏置电路中各MOS管尺寸及电阻值
  • 2（?）的设计'>3.6 增益提升运放A2（?）的设计
  • 3.6.1 主要指标及结构选择
  • 1、X2的跨导及宽长比S1、S2、S0'>3.6.2 输入管X1、X2的跨导及宽长比S1、S2、S0
  • D3、ID4及X3、X4的宽长比S3、S4'>3.6.3 折叠共源支路电流ID3、ID4及X3、X4的宽长比S3、S4
  • D5、ID6的取值及M5-M10的宽长比'>3.6.4 输出支路电流ID5、ID6的取值及M5-M10的宽长比
  • 3p的设计'>3.7 增益提升运放A3p的设计
  • 3.8 共模负反馈电路中各MOS管尺寸设计
  • 3.9 偏置电路
  • 3.9.1 宽幅镜像电流源电压偏置电路
  • 3.9.2 接入基准电流的电流偏置电路
  • 3.9.3 各模块MOS管尺寸估算值列表
  • 第4章 仿真及结果分析
  • 1的仿真'>4.1 A1的仿真
  • 1的交流分析'>4.1.1 A1的交流分析
  • 1转换速率'>4.1.2 A1转换速率
  • 1的建立时间'>4.1.3 A1的建立时间
  • 2n和A3p的交流分析'>4.2 A2n和A3p的交流分析
  • 4.3 整个电路的仿真
  • 4.3.1 交流分析
  • 4.3.2 输入大阶跃信号时的压摆率
  • 4.3.3 共模反馈环路的环路增益和相位裕度
  • 4.3.4 共模增益及共模抑制比
  • 4.3.5 共模输入范围
  • 4.3.6 单端输出电压摆幅
  • 4.3.7 电源抑制比PSRR
  • 4.3.8 输入等效噪声
  • 第5章 后端设计
  • 5.1 Pcell单元的制作
  • 5.2 运放各模块及整个运放的版图
  • 5.3 版图验证及后仿真
  • 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

    • 相关论文文献

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