BentlyNevada 330130-085-00-00
随着电子技术的进步，数字电视也得到了迅猛发展，其中视频数字编***芯片是它的核心部件，而ADC又是影响其性能的关键模块，因此设计高性能的模拟前端ADC成为IC设计的挑战。本文设计了一种在12位精度、80MHz采样率的ADC中负责采样保持的核心电路—运算跨导放大器(OTA)。
运放结构的选择
根据ADC的要求可以推算出运放的性能指标，如表1所示，据此可以选择运放的结构。目前常见的三种基本的运算放大器结构如图1所示。图1(a)是简单的两级运放，它具有大的输出摆幅2(Vdd-2Vds,sat)，但频率特性差，一般用Miller法补偿，使得相位裕度变小，但会导致电路稳定性变差。另一种改进的补偿方式是增加调零电阻R2=1/Cc(1/gmb-R)，但由于工艺的不稳定性，难以得到***的电阻值。图1(b)是套筒式运放，整个电路可以看成是单极点系统，无需补偿，因此频率特性好；又因为它只有2条主支路，因此功耗低，但输入/输出摆幅小。图1(c)是折叠式共源共栅结构，它改进了套筒式输入/输出摆幅小的缺点，但存在4条主支路，功耗大且稳定性变差。综上所述，本文结合图1(b)、(c)的优点，设计了全差分套筒式增益增强型运放，如图2所示，它能满足高增益带宽、低功耗等设计要求。
电路原理分析
增益倍增
为了提高增益，在共源共栅结构上附加辅助运算放大器，如图3所示，可以增强共源共栅效应。辅助运放的放大倍数为Aadd，通过减小由输出到输入管漏极的反馈，输出可增大Aadd倍，也即等效于：Rout≈(gm2***2(Aadd+1)+1)***1+***2。其中，gm2是M2管跨导，***1与***2分别为M1与M2的输出阻抗。因此电路的直流增益也会增大同样的倍数，***=gm1Rout≈-gm1***1(gm2***2(Aadd+1)+1)。
同理，给图2中的套筒式主运放加上辅助运放后，其直流增益可提高为***=-gm1[(gm5***5***7Aadd_p)//(gm3***3(***9//***1)Aadd_n)],式中Aadd_n和Aadd_p分别是辅助运放A_n和A_p的放大倍数。图4中示出了n型辅助运放A_p的结构。
p型辅助运放A_n用于推进主运放的M3、M4管，n型辅助运放A_p用于推进主运放的M5、M6管。辅助运放采用折叠式结构，不需要太快的速度和建立时间，因此其尾电流取为主运放的1/10，大大降低了整个电路的功耗和面积。
频率响应分析
图2中全差分套筒式共源共栅运放的主极点在P1点，频率为wp1=-1/RoutCL；次极点位于P2或P3点。通常由于p管的迁移率比n管的迁移率小，因此p管的过驱动电压较大，导致宽长比W/L也较大，即P2点的电容比P3的电容大。因此可以认为P2点为次主极点，wp2=-gm5/Cp,其中gm5为M5管的跨导，Cp主要包括M5管的栅源电容Cgs和M3管的栅漏电容Cgd。而主运放的单位增益频率为wu=gm1/CL，其中gm1为M1管的跨导。当加入辅助运放时，附加的增益部分与M5管形成闭环，若附加增益部分速度太快，电路就可能变得不稳定。又因为辅助运放增加了一对零极点wdoublet，如果设计不好，就会严重影响运放的建立特性。因此应使这对零极点尽量靠近，并且尽量远离主运放的单位增益频率，同时还要小于主运放的次主极点，即：bWu瞱doublet瞱p，其中b是闭环反馈系数。
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