高增益單級(jí)運(yùn)放和增益自舉電路設(shè)計(jì)

一、套筒式(telescopic)單級(jí)單端輸出運(yùn)放

figure 1 套筒式運(yùn)放原理圖

設(shè)計(jì)思路：

1. 通過(guò)M9電流200uA，兩條支路分別是100uA的電流。我們計(jì)算設(shè)計(jì)仿真的順序是：M9-M7M8-M5M6-M1M2-M3M4。
2. M9電流大，過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓給大些，Von9=300mV，I9=200uA，利用飽和區(qū)電流公式計(jì)算M9的W/L。偏置電壓用Von+Vth算。
3. M7M8的PMOS管本應(yīng)該給大Von，但是其二極管連接，Vds大，由于溝道調(diào)制效應(yīng)，所以給小Von=200mV，I=100uA，計(jì)算M7和M8的W/L。
4. M5M6手工計(jì)算不準(zhǔn)確，但還是得初步計(jì)算。I=100uA，pmos需給大Von=300mV，算出寬長(zhǎng)比。偏置電壓Vb1
5. M1和M2，Von=200mV，I=100uA，計(jì)算寬長(zhǎng)比。偏置電壓Vcm=Vds9+Von1+Vth1。此時(shí)的Vth1和Vds9都需要仿真后查看再調(diào)整輸入共模電壓。
6. M3和M4與M1和M2寬長(zhǎng)比計(jì)算一樣。Vb2= Vds9+Vds11+Von3+Vth3，同樣需要仿真后回頭調(diào)整。

圖2是手算的記錄：

figure 2 telescopic手算

M5和M6最難調(diào)整，可以將其余的偏置電壓確定后，用parametricanalysis掃描一下這兩管子的寬，確定一個(gè)精確值。在TSMC180nm工藝下，我的電路的參數(shù)如下：

DC仿真結(jié)果如下：

ac仿真結(jié)果如下，低頻增益78dB。

二、折疊共源共柵單級(jí)單端輸出運(yùn)放

figure 3 折疊共源共柵運(yùn)放電路原理圖

設(shè)計(jì)步驟與telescopic差不多，主要就是每個(gè)偏置電壓需要多次仿真調(diào)節(jié)，M5和M6的寬長(zhǎng)比很敏感，需要parametricanalysis掃描一下。圖4是手算記錄：

figure 4 折疊共源共柵運(yùn)放參數(shù)手算

在TSMC180nm工藝下，電路參數(shù)如下表：

dc直流仿真結(jié)果如下圖：

ac仿真結(jié)果如下圖，低頻增益69dB：

三、增益自舉(Gain Booster)

增益自舉原理如下圖：

將折疊共源共柵運(yùn)放改進(jìn)成下面的電路，并給出仿真直流參數(shù)：

上面的電路的M5寬長(zhǎng)比調(diào)節(jié)至關(guān)重要，要使其Vds恰好給M6提供偏置電壓，而M6所需偏壓和前述折疊共源共柵的M5和M6一模一樣。在TSMC180nm工藝下，該電路參數(shù)如下表：

ac仿真結(jié)果如下圖，低頻增益69dB（不知為何增益沒(méi)有提高，但是GBW增大了一倍，猜測(cè)是引入了零點(diǎn)）：

四、總結(jié)

不管是折疊共源共柵還是套筒式，電流源負(fù)載管M5和M6的偏置電壓和寬長(zhǎng)比總是最敏感的，需要多次仿真調(diào)整。

對(duì)于增益自舉電路的加入，沒(méi)能提升共源共柵運(yùn)放的增益這點(diǎn)有待深入學(xué)習(xí)。

給過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Von一般：NMOS小些，PMOS大些，二極管連接的PMOS小些。