（文章來(lái)源：電子學(xué)報(bào)，作者：黃顯洋?,?李樹(shù)榮?,?姚素英?）

本文提出了一種新穎的放大器結(jié)構(gòu)。它由兩部分組成：前面為跨導(dǎo)放大器，后面則是由電阻反饋形成的跨阻放大器，兩種放大器的組合構(gòu)成了具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的電壓放大器。與普通放大器不同的是，在我們?cè)O(shè)計(jì)的工作條件下，它輸出端的極點(diǎn)幾乎不受負(fù)載電容的影響。用該放大器作為預(yù)放大級(jí)，驅(qū)動(dòng)一單級(jí)主放大器所構(gòu)成的兩級(jí)運(yùn)放在負(fù)載電容為4pf的情況下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1GHz的增益帶寬積，瞬態(tài)分析的結(jié)果表明它可以在10ns內(nèi)達(dá)到0。01%的精度（閉環(huán)增益為8），而功耗僅有25mW，遠(yuǎn)低于同性能其他結(jié)構(gòu)的放大器，非常適合作為高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的首級(jí)余量放大器使用。

流水線ADC以其高速高精度低功耗的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)，流水線ADC發(fā)展的趨勢(shì)是通過(guò)減少每級(jí)的位數(shù)，降低對(duì)電路中主要功耗元件余量放大器增益帶寬積（GBW）的要求，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。但因?yàn)槊考?jí)多位的結(jié)構(gòu)能夠顯著提高ADC的線性，并且可以減少總的級(jí)數(shù)以及放低對(duì)后面各級(jí)精度的要求，所以在高精度的場(chǎng)合有利于性能的提高和功耗的優(yōu)化。由于上述原因，很多高精度的ADC采用第一級(jí)多位的結(jié)構(gòu)，這樣就要求首級(jí)余量放大器有較大的閉環(huán)增益，對(duì)它的增益帶寬積提出了很高的要求，設(shè)計(jì)高增益帶寬積低功耗的運(yùn)算放大器成為實(shí)現(xiàn)這種高速高精度流水線ADC性能的關(guān)鍵。

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中常用的運(yùn)算放大器有：Miller補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)結(jié)構(gòu)圖1（a），單級(jí)結(jié)構(gòu)圖1（b）以及帶有預(yù)放大級(jí)的兩級(jí)結(jié)構(gòu)圖1（c）。Miller補(bǔ)償?shù)膬蓸O結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是直流增益高，但是該放大器主極點(diǎn)在內(nèi)部，而輸出端還存在一個(gè)位置較低的非主極點(diǎn)，這大大限制了它的速度，而要將非主極點(diǎn)推到較高的頻率需要增加很大的功耗。單級(jí)放大器主極點(diǎn)在輸出端，內(nèi)部沒(méi)有位置較底的極點(diǎn)，并且通過(guò)采用共源共柵結(jié)構(gòu)或者增益自舉（gain-boost）技術(shù)同樣可以達(dá)到很高的直流增益，因此非常適合應(yīng)用在高速場(chǎng)合。但是當(dāng)放大器需要工作在較低的反饋系數(shù)下即實(shí)現(xiàn)大的閉環(huán)增益時(shí)，單級(jí)放大器所需的功耗迅速增加，這是因?yàn)椋簡(jiǎn)渭?jí)放大器的增益帶寬積為gm/C1（gm為放大器輸入管跨導(dǎo)，C1為輸出端有效負(fù)載電容），其環(huán)路增益帶寬約為fgm/C1（f為反饋系數(shù)），當(dāng)負(fù)載電容一定時(shí)，為達(dá)到規(guī)定的速度（速度決定于環(huán)路增益帶寬），反饋系數(shù)的減小要求放大器跨導(dǎo)增大;在管子尺寸一定的情況下，跨導(dǎo)與電流的平方根成正比，即反饋系數(shù)減小一半，放大器功耗增加為原來(lái)的四倍。

Miller補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)結(jié)構(gòu)也存在類(lèi)似的問(wèn)題。帶有預(yù)放大級(jí)的兩級(jí)放大器（跨導(dǎo)自舉放大器）是在單級(jí)放大器的基礎(chǔ)上加入一高速預(yù)放大電路（如圖1c所示），該預(yù)放大電路通常只需達(dá)到幾倍的直流增益，但必須有很大的帶寬，即不引入較低頻率的極點(diǎn)，以保證兩級(jí)運(yùn)放的穩(wěn)定性。該結(jié)構(gòu)放大器的增益帶寬積為Agm/C1（A為預(yù)放大電路的直流增益），預(yù)放大級(jí)的加入使整個(gè)放大器的增益帶寬積提高為原來(lái)的A倍，而這僅僅以預(yù)放大電路本身較小的功耗為代價(jià)，因此在需要很高增益帶寬積的放大器時(shí)，帶有預(yù)放大級(jí)的兩極結(jié)構(gòu)是較理想的選擇。

在設(shè)計(jì)預(yù)放大電路時(shí)，特別是在高速電路中，主要難點(diǎn)是增加它的帶寬，使預(yù)放大電路所有的極點(diǎn)都遠(yuǎn)離整個(gè)放大器閉環(huán)工作的3dB帶寬，這樣才能保證放大器閉環(huán)工作的穩(wěn)定性。通常的預(yù)放大電路如圖1（c）所示，它在其輸出端引入值為1/（gMLCeff）的極點(diǎn)（gML為管ML的跨導(dǎo)，Ceff為預(yù)放大電路輸出端（節(jié)點(diǎn)①）的等效負(fù)載電容，主要是管M2的柵電容）。

電路設(shè)計(jì)中，為了獲得大的跨導(dǎo)，管M2尺寸一般較大，帶來(lái)的問(wèn)題是較大的寄生柵電容，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)①處的極點(diǎn)頻率較低，影響整個(gè)電路的速度或穩(wěn)定性，而要將該極點(diǎn)推倒足夠高的頻率，需要較大的功耗。本文下面要介紹的是我們?cè)O(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)新穎的放大器，用它作為預(yù)放大級(jí)可以解決普通預(yù)放大電路由于負(fù)載電容較大帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題，并且不需要增加太多的功耗。該放大器驅(qū)動(dòng)一單級(jí)放大器所構(gòu)成的兩極運(yùn)放在有效負(fù)載電容為4pf的情況下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1GHz的增益帶寬積，其功耗與同性能的其他結(jié)構(gòu)放大器相比大大降低。

放大器結(jié)構(gòu)及工作原理

我們所設(shè)計(jì)的放大器如圖2所示，它由兩部分構(gòu)成，虛線左側(cè)為折疊共源共柵的跨導(dǎo)放大器，右側(cè)則是由電阻反饋所形成的跨阻放大器。跨導(dǎo)放大器的特點(diǎn)是高輸入阻抗和高輸出阻抗，而跨阻放大器則是低輸入阻抗和低輸出阻抗，它們的結(jié)合構(gòu)成了具有低輸出阻抗的電壓放大器。下面對(duì)該電路進(jìn)行具體解釋。

為簡(jiǎn)化分析，忽略非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極點(diǎn)的影響，將放大器簡(jiǎn)化為圖3所示的等效電路：Ro1、Ro2、C1、C2分別為節(jié)點(diǎn)①、②處的等效電阻和有效負(fù)載電容;Rf為反饋電阻，它分別連接于共源放大器的輸入和輸出端，形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，降低該級(jí)的輸入輸出電阻;gm1、gm2則分別為管M1、M2的跨導(dǎo)。由于Ro1、Ro2均為很大的電阻（遠(yuǎn)大于1/gm1或1/gm2），其影響可以忽略不計(jì)。需要特別指出的是，該電路的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足C1≤C2（實(shí)際電路中一般都很容易滿(mǎn)足該條件），下面的討論都是在這個(gè)前提條件下進(jìn)行的。

根據(jù)基爾霍夫電流定律列方程：

gm1Vi+VxsC1+（Vx-V0）/Rf=0（1）

gm2Vx+V0sC2+（V0-Vx）/Rf=0（2）

解方程組得：

由傳輸函數(shù)看出，該放大器可以等效為一二階系統(tǒng)，其直流增益為：

A=gm1（Rf-1/gm2）（4）

它的極點(diǎn)就是方程1+s（C1+C2）/gm2+s2C1C2Rf/gm2=0的根，值為：

其中，

因?yàn)镃2≥C1

所以，C≈C1，C1+C2≈C2（7）

當(dāng)Δ≥0即C1+C2≥gm2RfC時(shí)，方程有兩實(shí)根，即放大器有兩個(gè)實(shí)極點(diǎn)

由式（8）、（9）看出，隨著C2的增加極點(diǎn)s1的絕對(duì)值顯著減小，即極點(diǎn)頻率隨C2的增大而降低，這不利于放大器的穩(wěn)定。

當(dāng)C1+C2

公式（10）表明，共厄極點(diǎn)的實(shí)部取決于C1，幾乎不受C2值的影響。合理的電路設(shè)計(jì)可以保證C1是一個(gè)很小的值，從而使整個(gè)電路的極點(diǎn)位于很高的頻率。

由上面的分析可以得到以下結(jié)論：當(dāng)C1≤C2，并且C1+C2模擬結(jié)果

利用我們所提出的預(yù)放大電路，設(shè)計(jì)了圖4所示的運(yùn)算放大器。它是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)為預(yù)放大電路，后級(jí)為套桶式放大器。

若需要更高的直流增益或者較大的輸出電壓擺幅，圖中所示單級(jí)放大器可以采用增益自舉放大器。

該兩極運(yùn)算放大器用于實(shí)現(xiàn)8倍的閉環(huán)增益，用0.35μmCMOS工藝模型在Spice中進(jìn)行模擬，模擬的電路示意圖見(jiàn)圖5。當(dāng)輸入為0.125V的階躍信號(hào)時(shí)，Hspice瞬態(tài)分析的結(jié)果如圖6所示：

由模擬結(jié)果得到運(yùn)算放大器的各種參數(shù)值如表1所示：

若去掉預(yù)放大級(jí)而僅僅采用后面的單級(jí)放大器，即使將輸入管的尺寸加倍，也需要高達(dá)80mW的功耗。并且增大輸入管的尺寸會(huì)使放大器的輸入端寄生電容增加，而應(yīng)用于流水線ADC中時(shí)，該電容會(huì)影響ADC的各項(xiàng)性能。

與單級(jí)放大器相比，圖4所示電路還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：輸入共模范圍大。當(dāng)然單級(jí)電路也可以采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)增加輸入共模范圍，但采用這種結(jié)構(gòu)會(huì)使功耗大大增加。

對(duì)于預(yù)放大級(jí)，從Hspice的輸出文件中提取各項(xiàng)參數(shù)代入（4），（10）中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如表2：

可以看到，理論計(jì)算值與實(shí)際模擬結(jié)果十分接近，證明了前面所做推導(dǎo)的正確性。

總結(jié)

本文介紹了一種適用于高速高精度流水線ADC的運(yùn)算放大器，它是帶有預(yù)放大級(jí)的兩級(jí)結(jié)構(gòu)。其中，用做預(yù)放大級(jí)的放大器是由我們特殊設(shè)計(jì)的，它在負(fù)載電容較大的情況下仍能達(dá)到很高的帶寬，我們對(duì)它的傳輸函數(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，模擬結(jié)果證實(shí)了推導(dǎo)結(jié)論的正確性。用0.35μmCMOS工藝所設(shè)計(jì)的該類(lèi)型運(yùn)算放大器在負(fù)載電容為4pf的情況下，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1GHz的增益帶寬積，功耗僅為25mW，遠(yuǎn)低于同性能其他結(jié)構(gòu)的放大器。

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