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）ᐢገǖ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C load=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。

ਈ୆ࠤǖ运算放大器；高增益；高速ᒦᅄॊಢ੓ǖTN401 ᆪማܪဤ൩ǖA1 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]，共源共栅结构的运放在实现高速的同时无法实现高精度[1]。

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C load=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V th时导通，起钳位作用并加快了运放的转换速率。

而且* ၃ষ྇໐ǖ2005-01-25 ኀࢿ྇໐：2005-07-03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成影响，具体将在3.2.2中论述。

另外为了加大输出摆幅，增加了一级增益接近于1的线性输入/输出特性电路，通过降低高增益运放输入端的共模电平来达到这个目的，具体将在3.4中论述。

3 设计及改进3.1 运放增益及补偿增益提高运放通过负反馈提高输出阻抗从而提高运放增益，简化图如图2所示。

输出阻抗：add o m out A r r g R 0212= （1） 其中，A add 表示辅助运放的直流增益。

可以看出，输出电阻提高了A add 倍。

同理，增益提高运放的直流电压增益：out m add o m m dc R g A r r g g A 102121== （2） 也提高了A add 倍。

辅助运放的存在使得运放增加了一对很接近的零极点对，它们位于辅助运放的单位带宽增益（add ω）附近[2]。

假设零极点对所对应的频率（PZ ω）高于闭环运放的主极点（t βω），其中t β是负反馈系数，t ω是开环运放的单位增益带宽，即：t add βωω> （3） 则零极点对的存在对运放的频响特性没有影响[3]。

另外，从图2可知，M 2的源极是主运放的次主极点（2P ω）[2]，M 2的栅极即辅助运放的输出端是辅助运放的主极点。

出于稳定性考虑，辅助运放的单位增益带宽需小于主运放的次主极点，即： 2P add ωω< （4）结合式（3）和（4）给出辅助运放单位增益带宽的稳定工作范围：2P add t ωωβω<< （5）图3给出图1(a)所示高增益运放和主运放（共源共栅运放）的增益和带宽的比较，其中可见零极点对的存在。

图 2 共源共栅级中增益的提高图3 高增益运放和共源共栅主运放增益和相位的比较图(a) 常规高增益运放 (b) 改进后的高增益运放图1 常规高增益运放和改进后的高增益运放第2期 朱颖等：高速高增益运算放大器的设计及应用 33运放稳定工作要求零极点对满足方程（5），如果不满足，那么为了消除或者减弱零极点对的影响，必须对运放进行补偿。

其中比较简便的方法就是在辅助运放输出端增加补偿电容，如图1(b)所示。

增加补偿电容的目的就是使零点和极点尽可能的接近甚至对消。

仿真表明补偿电容值为50fF 时补偿效果最佳，图4给出了补偿前和补偿后的增益和带宽的波特图，可以看出，补偿后零极点效应已基本消除。

本仿真基于高增益运放，不包含线性输入/输出电路。

3.2 建立时间3.2.1 补偿电容对建立时间的影响如图9所示，运放的反馈系数为1/3，相当于增益为2的反相放大器，该运放包含了线性输入输出电路，等效的电容负载约为1pF 。

理论上说，当V in 2稳定在共模电压1.65V ，V in 1从2.1V 跳变到1.2V 时，V out 1从1.2V 跳变到2.1V ，而相应的V out 2从2.1V 跳变到1.2V 。

差分输出V out 1-V out 2就从-0.9V 跳变到+0.9V 。

也就是说，单端输入从2.1V 跳变到1.2V 时，差分输出应该有一个1.8V 的跳变，本文中为了绘图方便，将差分输出-0.9V 处平移至零点。

图5给出了补偿前和补偿后的差分输出，补偿后输出特性明显好于补偿前的输出特性。

由于零极点对的存在，补偿前运放的阶跃响应出现了小的减幅震荡现象。

补偿后减弱甚至消除了零极点对的影响，运放的频响特性接近于单极点运放，建立时间大大减少。

从图5中可得，补偿后，只需9ns 即可得到1%的精度，12.2ns 时就可以得到1.79912V 的值（如图5中所示），也就是说12.2ns 时，精度达到0.1%，转换速率达到200V/μs ，完全满足原先的设定。

3.2.2 钳位管对建立时间的影响当运放输入端输入为大信号时，辅助放大器中可能存在需要很长时间才能回复到稳定态的晶体管。

为了减轻这个问题，增加了两个钳位管，具体分析以A ddp 为例。

A ddp 是双端输出的折叠式共源共栅放大器。

如图6所示（表示正阶跃时电路的等效电路）。

如果I p >I add ，则差分输出的转换速率等于I add /C 。

如果I p <I add ，则转换期间M 33关断，V Y 下降到一个低电平，使得M 25和尾电流进入线性区。

因此，在另一个输入管导通之后，电路要回到平衡态，V Y 需要经历很大的摆幅，减慢了稳定过程。

负阶跃和A ddn 的特性也与此类似。

仿真对有无钳位管的运放进行比较。

同 3.2.1所述，单端输入0.9V 的跳变，t =10ns 时，带钳位管的运放差分输出跳变到1.798V ，无钳位管的运放差分输出跳变到1.796V 。

表明带钳位管的运放具有更小的建立时间，结果更加稳定。

输入差分值越大，带钳位管运放的优点越明显。

3.3 电容共模负反馈高性能的运放放大器都需要共模反馈电路。

用它来稳定微小失调引起运放工作点的偏移。

因为电阻检测输出共模电压会限制运放的输出摆幅，降低运放的输出阻抗[4]，所以采用电容共模反馈避免这图4 补偿前和补偿后的增益和相位的波特图图 5 补偿前和补偿后的时间响应34 电路与系统学报 第13卷两个缺点，如图7所示。

其中V ref 表示运放理想的共模输出电平（这里是1.65V ），V bias 1是运放尾电流源M 10在理想共模状态下的栅压值，V out 1和V out 2是运放实际的输出电压，V cm 是实际加到运放电流源M 10的栅压值。

工作原理如下：S 1和S 2由两相互不交叠的时钟构成。

当S 1闭合，S 2打开，C 1端保存C 1（V ref -V bias 1）的电荷，当S 2闭合，S 1打开，电荷在C 1和4C 1之间进行重新分配。

计算可得：1212)(bias ref out out cm V -V /V V V ++= （6）由此可以看出，如果V out 1和V out 2的共模值发生变化，大于理想的共模值V ref ，则V cm 增大，把V out 1和V out 2拉低，直到V out 1和V out 2重新处于V ref 回到平衡状态。

相反，如果V out 1和V ou t2的共模值小于理想值，则V cm 减小，V out 1和V out 2增大，直至输出共模电平重新稳定在V ref 。

其实质就是运用负反馈，改变运放尾电流的栅压值，达到稳定运放输出共模电平，稳定工作点的目的。

3.4 线性输入/输出特性的电路如图8所示，v b 1~v b 3指的是偏置电压，电压增益：3,41,2)/()/(L W L W A v = （7）其目的是通过降低高增益运放输入端的共模电平来增大输出摆幅，满足输出摆幅±0.8V 的设计要求。

下表对有无线性输入/输出电路的高增益运放进行对比分析。

结果表明，带线性输入/输出电路的高增益运放增益略有提高，带宽大大加大，相位裕度减少，功耗增大。

总的来说，除了功耗略有增加外，线性输入/输出电路大大改善了运放高速高精度性能。

4 应用如图9所示，V in 1和V in 2是被采样信号，V dc 表示共模输入电平，由带隙电压源提供（这里是1.65V ）。

考虑一个时钟周期内电路的工作情况，当S 1和S 2闭合，S 3和S 4打开，运放处于采样状态同时泄放掉上一个时钟周期内存储在电容C 上的电荷。