全差分套筒式运算放大器设计
1、设计内容
本设计基于经典的全差分套筒式结构设计了一个高增益运算放大器，采用镜像电流源作为偏置。

为了获得更大的输出摆幅及差模增益，电路采用了共模反馈及二级放大电路。

本设计所用到的器件均采用SMIC 0.18µm的工艺库。

2、设计要求及工艺参数
本设计要实现的各项指标和相关的工艺参数如表1和表2所示：
3、放大器设计
3.1 全差分套筒式放大器拓扑结构与实际电路
图1 全差分套筒式放大器拓扑结构
图2 最终电路图
3.2 设计过程
在图1中，Mb1和M9组成的恒流源为差放提供恒流源偏置，且M1，M2完全一样，即两管子所有参数均相同。

Mb2、M7和M8构成了镜像电流源，M5、M6和M7、M8构成了共源共栅电流源，M1、M2、M3、M4构成了共源共栅结构，可以显著提高输出阻抗，提高放大倍数（把M3的输出阻抗提高至原来的（gm3 + gmb3）ro2倍。

但同时降低了输出电压摆幅。

为了提高摆幅，控制增益，在套筒式差分放大器输出端增加二级放大。

本设计中功率上限为10mW，可以给一级放大电路分配3mA的电流。

设计要求摆幅为3V，所以图1中M1、M3、M5、M9的过驱动电压之和不大于1.8-3/2=0.3V。

我们可以平均分配每个管子的过驱动电压。

根据漏电计算流公式(1)（考虑沟道长度调制效应），可以计算出每个管子的宽长比。

I D=1
2μn C ox W
L
(V GS−V TH)2(1+λV DS)(1)
其中，C ox等于ε/t ox，μn和t ox可以从工艺库中查找。

4、仿真结果
经过调试优化之后的仿真结果如以下各图所示：
图3 增益及相位裕度
从图中可以看出，本设计的低频增益达到了74.25dB，达到了预期要求。

3dB 带宽为35kHz左右，比较小，可见设计还有改进的余地。

当CL为2pF时，相位裕度：
PM=180°+∠βH(ω)=180°−125.5°=54.5°
电源电压为1.8V时，输出摆幅如下图所示，达到了3V。

整个电路的直流功耗为5.43mW。

图6 直流功耗
5、小结
本次设计初步实现了放大器的基本功能，但也有很多缺陷。

由于对套筒式差分放大器的理解不够深刻，导致初期仿真时一直出不来结果。

经老师点拨才知道要实现高增益差动电路必须加共模反馈。

在设计中发现，自己算出的MOS管的宽长比在实际仿真时有很大的误差，导致放大倍数非常小，自己设计反馈电路后，虽然增益达到了600-700，但出现了振荡效应。

后来参考了一些文献，采用了文献中的成功案例。

但带宽仍然不高，
我们会在下面的进一步学习中改进。