CMOS高性能运算放大器的设计探究

王文龙

摘 要：运算放大器是数模混合系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接关系到整个系统的运行水平，对高性能运算放大器进行深入研究具有广泛的应用价值。在集成电路设计工艺中，CMOS以其独特的高集成度、低功耗等优势占据了市场的大部分份额，本文将以CMOS工艺为例，对其高性能运算放大器的设计要点进行分析。

关键词：CMOS；高性能；运算放大器；设计

1 高性能运算放大器概述

1.1 CMOS运算放大器的性能指标

运算放大器性能评价的主要指标是选择和应用的主要依据，一般多采用定性或定量的方式对其进行描述。常用的性能评价指标及相关内容可见表1，以下各项性能指标不是孤立存在的，而是互相制约，彼此影响，在实际设计过程中，是对部分关键性指标进行设计。

表1 CMOS运算放大器性能评价指标

[性能指标＼&评价内容＼&直流开环增益＼&表征运算放大器放大低频信号的能力，开环增益越高，闭环系统稳定性越好。＼&单位增益带宽＼&衡量运算放大器信号工作的重要频率特性参数，主要决定其可响应的最高信号频率。＼&相位裕度＼&衡量系统的稳定度，相位裕度越大，系统越稳定，但响应时间延长。＼&输入失调电压＼&用于衡量运放对称性，对称性高的，失调电压较小，其精度越高。＼&输出电压摆幅＼&输出信号准确的前提下能达到的最大电压摆幅的峰值，电压摆幅越大，运放性能越佳。＼&建立时间＼&运放闭环增益为1时，额定负载下输入小信号激励时输出电压达到指定精度所需要的时长，建立时间越短，电路对模拟信号处理的速度就越快。＼&压摆率＼&表征运算放大器的频率特征，体现运放的大信号瞬态响应特性。＼&共模抑制比＼&运算放大器对作用在两个输入端的共模信号的抑制能力，是装置抗干扰能力的表现。＼&电源抑制比＼&对电源噪声的抑制能力，即当电源电压变化时运算放大器仍能保持稳定不变的能力。＼&功耗＼&各级静态电流之和与电源电压的乘积，也称为静态功耗。＼&]

1.2 高性能运算放大器

由于运算放大器各项参数为互相制约的关系，因此高性能运算器并不是要满足所有参数，而是根据实际需要，对放大器的某项参数进行设计，以使其应用效果达到最佳。高性能运算器一般包括高精度、高速度、低功耗、低噪声或者低失真等几类。

2 CMOS高性能运算放大器的设计

2.1 增益级设计

运算放大器根据输入结构的不同可分为套筒式和折叠式两种，套筒式运算放大器存在的主要不足是输出摆幅较小，不利于闭环使用；折叠式运算放大器的输出电压浮动较大，可适用于闭环系统，因此具有更广泛的应用范围。

为实现高增益，可将折叠式运放电路和简单放大器联合使用，构建两级运放结构，该结构不仅实现了高增益，还减小了输入失调电压的值；环路相位裕度通过密勒补偿电容分离极点而实现；零点补偿电阻则可用于抵消零点对环路稳定性的不利影响，确保电路的稳定。其结构示意图可见图1。

如图1所示，PMOS输入对为M1和M2，其主要功能是将差动电流转换成单端电压输出；NMOS晶体管偏置电流源为M4和M5；共源共栅管为M7和M8，可实现电位平移；M9栅极和M11的漏断负载连接结构构成了共源共栅级结构，M9和M10被偏置在线性区的边缘，在输出摆幅中可节省一个PMOS阙值电压。整个电路结构为两级增益，电路整体增益为第一级增益和第二级增益的成绩，可达到90dB。

2.2 低噪声运算放大器设计

低噪声运算放大器主要是对运放输入级、运放输出级、运放补偿级等内容进行设计，以提高运算放大器抵抗噪声的性能。

首先，共模输出电压的稳定输出，需要输出级处于线性区，共模反馈电路（如图2所示）在全差分结构中应用较多。偏置电流由M15提供，其值由M20和M15的宽长比、IDC2共同决定；负载管M18和M19的漏源短接，可等效为1/gm18、1/gm19的负载电阻，使得流过M17的驱动电压和电流减小。

其次，对运放输出级的设计。CMOS运算放大器电路输出级的作用是电流变换，应具备输出大信号功率的能力，这可通过甲乙类推挽式输出级实现。如图3所示，M21和M23为推挽输出管，M20和M22作用主要为设置合适的静态工作点，以便提供适当的偏置，减少失真；另一作用是通过设置的改变，降低输入电压的失调。

最后，运放补偿电路设计。补偿电路在闭环状态时，增益的增加会引起电路中自激振荡，利用巴克豪森判据可知，当环路总相移达到360°时，放大电路中含有RC回路存在附加相移，这就可能会导致原来的负反馈变为正反馈。要消除振荡，需要采取必要的补偿措施，可通过图4所示的补偿电路实现。

3 结语

随着电路工艺技术的不断发展，集成度的不断提高以及数模混合系统在电子信息系统领域的广泛应用，电器应用行业对模拟集成电路的设计提出了更高的要求，高集成度、低能耗和高性能的电子器件的需求量越来越多。本文以CMOS工艺为例，对设计高增益、低噪声的高性能运算放大器的设计进行了简要分析。

参考文献：

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