采用增益提高技术的两级放大器的设计

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摘 要： 基于chartered 0.35 μm工艺，采用PMOS管作为输入管的折叠式共源共栅结构，设计了一种采用增益提高技术的两级运算放大器。利用Cadence公司的spectre对电路进行仿真，该电路在3.3 V电源电压下具有125.8 dB的直流开环增益，2.43 MHz的单位增益带宽，61.2°的相位裕度，96.3 dB的共模抑制比。

关键词： 折叠式共源共栅； 增益提高技术； 运算放大器； 低电压电流镜

中图分类号： TN431.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）09?0144?03

0 引 言

运算放大器是许多模拟系统和混合信号系统中的一个重要部分。高的直流增益无疑是运算放大器重要的设计指标。由于运算放大器一般用来实现一个反馈系统，其开环直流增益的大小决定了使用运算放大器的反馈系统的精度[1]。在现代CMOS模拟电路中，低压差线性稳压器（LDO）的设计中，要求运算放大器有高的直流增益来减小其静态误差[2]。折叠式共源共栅结构可以提供高的增益，大的输出电压摆幅，好的频率特性，而且功耗比较低。

本文根据设计要求，设计了一种采用增益提高技术的两级放大器：第一级为在差分输入单端输出的折叠式共源共栅放大器中采用增益提高技术的低电压电流镜，以达到高增益且可提供适当摆幅，第二级采用共源极电路结构以增大输出摆幅[1]，同时提供适当的增益。在放大器的两级之间，采用改善零点频率的密勒补偿技术来使电路达到稳定。经过Cadence spectre软件仿真显示，该结构直流增益达到了125.8 dB，相位裕度达到了61.2°。

1 运算放大器的设计

本文所设计的电路是在采用折叠式共源共栅结构的两级放大器中，采用增益提高技术的低电压电流镜来得到高增益。

增益提高技术利用反馈技术来提高信号通路上的输出阻抗，可以通过如图1所示的结构来说明。该结构通过电流电压反馈来控制[M4]源端的电压，使其保持恒定值，由于放大器[M6]的作用，输出电压的变化对[M2]漏端电压的影响很小[3]。通过[M2]的电流变得恒定，从而产生更高的输出阻抗。由小信号电路分析可知，该电路的输出阻抗与传统的共源共栅结构相比，增加了[A1]倍。其输出阻抗表达式为：

[Rout=A1gm2ro2ro1]

2 总电路结构

图2为运算放大器的总电路结构：第一级采用PMOS管作为输入管的折叠式共源共栅结构，并且在其增益提高级采用了增益提高技术来提高输出阻抗，进而提高增益。第二级采用简单的共源级的典型结构输出，以提供最大的输出摆幅[4]。为使电路达到稳定，在增益提高级与输出之间采用了改善零点频率的密勒补偿。电路的静态工作条件由偏置电路提供。