Π 折叠式共源共栅运算放大器的 0. 6μm CMOS 设计 王志亮 , 段 　伟 , 王 　琴 (南通大学电子信息学院 , 南通 226007) 　2009 年第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 信息技术 Information Technology 　　中图分类号 :TN432 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1009 - 2552 (2009) 03 - 0007 - 04 摘 　要 : 折叠式共源共栅结构的运算放大器不仅能提高增益 、增加电源电压噪声抑制能力 , 而 且在输出端允许自补偿 。基于0. 6μm CMOS 工艺 , 验证了一种折叠共源共栅的运算放大器的参数 指标 。理论计算和实际分析相结合 , 仿真结果达到设计指标要求 。 关键词 : 0. 6μm CMOS 工艺 ; 折叠式共源共栅 ; 运算放大器 ; Hspice Design of a folded cascade operational amplifier based on 0. 6μm CMOS technology WANG Zhi liang , DUAN Wei , WANG Qin (School of Electronics and Information , Nantong University , Nantong 226007 ,China) Abstract : Operational amplifier using the cascade configuration not only is useful for increasing the gain , increasing the value of PSRR , but also allowing self compensation at the output. The parameter of this operational amplifier is validated based on 0. 6μm CMOS technology. Combined with the theory calculation and actual analysis , the simulation result satisfied the design specification. Key words : 0. 6μm CMOS ; folded cascade ; operational amplifier ; Hspice 0 　引言 随着集成电路技术的不断发展 ,高性能运算放 大器得到广泛应用 ,成为模拟集成电路和混合信号 集成电路设计的核心单元电路 ,其性能直接影响电 路及系统的整体性能 。 折叠式共源共栅运算运算放大器具有二阶优化 性能 ,因此设计一个有实用价值的折叠式共源共栅 运算放大器是非常有现实意义的 。在实际设计过程 中 ,电路设计固然重要 ,参数正确选取同样决定设计 成败 。CMOS 管的参数并不能通过简单的理论计算 或计算机仿真进行准确的预测 ,例如在给定工艺条 件下 ,理论计算出的管子宽长如不考虑实际情况下 工艺条件等诸多外界因素 ,仿真的结果会和设计指 标有很大差距 。所以必须在深入理解电路工作原理 的基础上 ,将科学计算和计算机仿真综合运用 。 1 　折叠式共源共栅运算放大器的参数设计 本文采用图 1 所示折叠式共源共栅运算放大器 结构[1 ] 。 其中 : M1 M3 M2 M3A M1A M2A :构成折叠式差分电路 。 M4A :构成共源共栅电路 。 M4 M6 :构成运放偏置的电流镜电路 。 M5 M8 :构成 M9 ,M10 and M11 的镜像 MOS 管 。 M7 :差分电路的尾电流 NMOS 管 。 M9 M13 M10 :构成运放两支路的偏置电流源 。 M14 : 提供 给 M1A M2A M3A M4A 栅 极 + 1V 的偏置电压 。 M12 :输出级 (共源放大器) 。 M11 基于 0. 6μm CMOS 工艺 ,运算放大器的设计指 标如表 1 所示 : 收稿日期 : 2008 - 08 - 07 基金项目 : 南通大学大学生课外学术科技作品立项课题 (140 146) ; 江苏省教育厅自然科学基金 (07KJD120167) 作者简介 : 王志亮 (1978 - ) ,男 ,讲师 ,硕士 ,主要从事模拟集成电路 研究。 —7— 

Π 图 1 　运算放大器电路图 表 1 　设计指标 参数 小信号低频电压增益 单位增益带宽 相位裕度 转换速率 共模抑制比 电源电压 共模输入范围 电压输出范围 负载电容 功耗 指标 > 10000 (80dB) > 100MHz > 50° 100V us > 80dB 5V 1. 5V～3. 5V 0. 3V～4. 7V 2pF 17mW 　　根据以上给出的性能指标 ,结合 CMOS 器件理 论计算公式 ,计算出各 MOS 管理论参数 。计算过程 如下 : 取μp Cox = 44 ×10- 6μA 因为 SR = IS 取(W V2 ,μnCox = 108 ×10- 6μA CL ,所以 IS = SR ×CL = 200μA ; V2 , L) 5 = (W L) 6 = (W 0. 6 ,因 为管子 M8 工作于饱和状态 ,所以 ID8 = - KP (VGS8 - Vth) 2 ,得 VGS8 = 1. 37V ,Vbias = 3. 63V ; L) 7 = (W L) 8 = 30 43. 8 (W L) 2A = 22. 9 0. 6 ; 同理取 Veff1A = 0. 25V ,根据公式 ID = - KpV2 L) 1A = (W 取 VGS = 0. 882V ,得 (W 取 Veff3A ,4A = 0. 25V ,得 (W 对 M13 而言 ,VGS = - 1. 37V L) 3A ,4A = 9. 33 L) 3 ,4 = 17. 6 0. 6 ; 0. 6 ; 0. 6 ; eff ,得 (W L) 13 = μp Cox·(Vgs13 - Vth ) 2 = 86. 4 0. 6 2ID13 M9 ,M10 两管对称 , ID9 = - KP (VGS9 - Vth ) 2 , (W 同理 ,VGS11 = - 1. 37V , ID11 = 1500μA , (W L) 11 = L) 9 ,10 = 18. 52 0. 6 ; 185. 2 0. 6 ; 因为 fu = 100MHz ,ωta = gm CL ,所以 gm = 2πfuCL = 1. 256ms ; 根据公式 ( W L ) = g2 m 2IDμnCox ,得 (W L) 1 = (W L) 2 = 取 Veff12 = 0. 25V ,3. 14 , (W 同样取 Veff14 = 0. 25V , (W 各 MOS 管理论计算结果如表 2 所示 : L) 12 = 267 L) 14 = 124 0. 6 ; 0. 6 。 表 2 　MOS 管理论计算结果 MOS 管名称 MOS 宽度 (单位μm) MOS 管长 (单位μm) M1 ,M2 M3 ,M4 M5 ,M6 ,M7 ,M8 M9 ,M10 43. 8 0. 6 17. 6 0. 6 30 0. 6 18. 52 0. 6 M11 185. 2 0. 6 M12 267 0. 6 M13 86. 4 0. 6 M14 124 0. 6 M1A ,M2A 22. 9 0. 6 　　经 DC 仿真分析 ,SR 较小 ,因为 SR = I CP ,所以 可以改变电流 I 和 Cp 来满足要求 。首先增加流过 M9 ,M10 的电流为原来的二倍 ,可以通过改变 M9 , M10 的管子宽长比为原来的二倍来实现 , 相应的 M1A ,M2A 两管子的宽长比也增大为原来的二倍 。 经过调整 ,补偿电容上的电压有所增加 ,通过调整 M3 ,M4 ,M3A ,M4A 来降低该电压值 ,使电压值保持 在 1V 左右 ,这样才可以使管子 M12 工作在比较稳 —8— 

Π Π Π 定的饱和状态 。 另外 ,还要调节输出端 out 的电压值 ,要使该处 电压值在 2. 5V 左右 ,可以通过改变 M12 的宽长比 来实现 。表 3 为调整后 MOS 管参数 。 管子名称 M1 ,M2 M3 ,M4 M5 ,M6 ,M7 ,M8 M9 ,M10 M11 表 3 　调整后 MOS 管参数 管子宽 (单位μm) 30 管子长 (单位μm) 2 　Hspice 仿真测试 0. 6 14 0. 6 30 0. 6 33 0. 6 500 1. 2 运放的输出端接 2pF 的负载电容 ,在电源电压 为 5V ,共模输入电压为 2. 5V ,在运放输入端接差分 交流信号 1V ,两输入端的输入交流信号相位相反的 条件下做交流小信号分析 ,电路图连接如图 2 所示 。 M12 195 1. 2 M13 60 0. 6 M14 M1A ,M2A M3A ,M4A 20 0. 6 60 1. 2 90 0. 6 图 2 　低频小信号特性仿真电路连接图 小信号低频电压增益 :小信号低频电压增益为 95. 7dB ,如图 3 所示 ,满足设计指标 ( > 80dB) 。 图 4 　低频小信号单位带宽分析图 图 5 　相位裕度分析图 图 3 　低频小信号电压增益分析图 单位增益带宽 :单位增益带宽为 223MHz ,如图 4 所示 ,满足设计指标 ( > 100MHz) 。 相位裕度 :相位裕度为 180°- 129°= 51°,如图 5 所示 ,满足设计指标 ( > 50°) 。 转换速率 :运放的同相输入端输入 2V 到 3V 的 阶跃信号 ,电路如图 6 所示 。运放瞬态分析得到的 输出波形如图 7 所示 ,从仿真波形得到 :在输出上升 曲线的 10 %和 90 %处 ,其电压分别为 2. 9V 和 2. 1V ; 时间 分 别 为 10. 7μs 和 3. 32μs。运 放 的 转 换 速 率 μs , SR = (2. 9V - 2. 1V) 满足设计指标 (100V (10. 7μs - 3. 32μs) = 108. 4V μs) 。 图 6 　转换速率电路图 共模抑制比 :在运放的开环状态下 ,在运放的同 相和反相输入端同时加入一个幅度为 1V 的交流小 信号源 ,电路如图 8 所示 。从图 9 的仿真结果可知 , 运放的低频共模电压增益为 - 3. 29dB 。因为运放的 共模抑制比 (dB 为单位) 等于其差模电压增益 ( dB) 减去共模电压增益 (dB) ,差模电压增益 (即小信号低 —9— 

图 7 　转换速率分析图 频电压增益) 是 95. 7dB ,所以运放的共模抑制比近似 为 98. 99dB ,大于运放的设计指标 ( > 80dB) 。 图 8 　仿真共模抑制比电路图 图 10 　仿真输入共模电压范围电路图 图 11 　输入共模电压范围分析图 图 12 　运放的输出电压摆幅特性仿真电路 图 9 　共模抑制比分析图 共模输入范围 :运放的电源为 5V ,运放的反相 端和输出相连 ,构成缓冲器 ;同相端加直流扫描从 0 到 5V ,如图 10 所示 ,经仿真得到的运放输入输出跟 随特性如图 11 所示 。 从图中可以看出 ,两条曲线重合的范围为0. 579～ 4. 75V ,符合指标要求 (1. 5～3. 5V) 。 电压输出范围 :仿真电路如图 12 所示 ,正输入 端接 2. 5V 的直流电压 , Vin1 输入端加从 0 到 5V 的 直流扫描电压 。 经仿真得到的运放输出电压摆幅特性如图 13 所示 。 从图 13 可以看出输出电压的范围是 :0. 0379～ —01— 图 13 　电压输出范围分析图 4. 99V ,符合指标要求 (0. 3～4. 7V) 。 运放的静态功耗 :运放的静态功耗是指当运放 在输入平衡状态下电路消耗的总电流和总电压的乘 积 。在电源电压 5V ,运放的两输入端输入共模电压 2. 5V 时 ,运放各支路的静态电流之和为 3. 268mA ,则 运放的静态功耗为 16. 34mW ,小于指标的要求 。 (下转第 15 页) 

2 Π ΠΠ Π 现有网络的新特性 ,考察网络新情况 、新特性和拥塞 控制机制之间相互影响的关系 ,以此为基础 ,采用系 统论 、控制论的方面 ,从整体上建立包含多种拥塞控 制机制的网络拥塞控制方案 ,并广泛采用自适应的 思想 ,使得控制机制能适应网络的动态变化 ,并减少 控制机制的代价 。在加强网络可控性的同时 ,保证 方案的可扩展性 。 参 考 文 献 : [1 ] 　Jacobson V. Congestion avoidance and control [ J ] . ACM Computer Communication Review , 1988 ,18 (4) :314 - 329. [ 2 ] 　Floyd S , Fall K. Promoting the use of end to end congestion control in Internet[J ] . IEEE ACM Trans Networking , 1999 ,7 (4) :458 - 472. [ 3 ] 　Stevens W. TCP slow start , congestion avoidance , fast retransmit , and fast recovery algorithms[ C] . RFC 2001 , Jan , 1997. [4 ] 　Mathis M , Mahdavi J , Floyd S ,et al. TCP selective acknowledgement options[ Z] . RFC 2018 , 1996. [5 ] 　Floyd S. HighSpeed TCP for Large Congestion Windows [ C ] . RFC 3649 , 2003. [6 ] 　Tom Kelly. Scalable TCP Improving Performance in Highspeed Wide Area Networks[ C] . SIGCOMM CCR 2003. CERN. NRL hpi tcpw index. html. [ 15 ] 　Aditya Karnik , Anurag Kumar. Performance of TCP Congestion Con trol With Explicit Rate Feedback[J ] . IEEE ACM Trans Networking , 2005 ,13 (1) :108 - 120. [16 ] 　Holland G,Vaidya N. Analysis of TCP performance over mobile ad hoc networks[J ] . ACM Wireless Networks ,2002 ,8 (2) . [17 ] 　Kim D , Toh C , Choi Y. TCP BuS : Improving TCP performance in wireless ad hoc networks [J ] . Journal of Communications and Net works ,2001 ,3 (2) :175 - 186. [18 ] 　Chen K, Xue Y, Nahrstedt K. On setting TCP’s congestion window limit in mobile Ad Hoc networks[ C] Proc. of IEEE ICC , Ancho rage ,Alaska , USA , May 2003. [19 ] 　Dyer T , Boppana R. A comparison of TCP performance over three Proc. Of ACM MO routing protocols for mobile ad hoc networks[ C] BIHOC , Long Beach , CA , USA , 2001 :56 - 66. [20 ] 　Wang F , Zhang Y. Improving TCP performance over mobile ad hoc networks with out of order detection and response[ C]/ / Proc. of ACM MOBIHOC , Lausanne , Switzerland , Jun. 2002 :217 - 225. [ 21 ] 　Kopparty S , Krishnamurthy S ,Faloutous M ,et al. Split TCP for mobile ad hoc networks[ C] Proc. of IEEE GLOBECOM , Taipei , Taiwan , [7 ] 　Lisong Xu , Khaled Harfoush , Injong Rhee. Binary Increase Conges tion Control (BIC) for Long Distance Networks[J ] . IEEE INFOCOM Nov. 2002. [22 ] 　Goff T ,Abu Ghazaleh N ,Phatak D ,et al. Preemptive routing in ad hoc 2004. networks[C] Proc. of ACM MOBICOM ,Rome , Italy , 2001 :43 - 52. [8 ] 　Brakmo L , Peterson L. TCP Vegas : End to end congestion avoidance [23 ] 　Klemm F , Krishnamurthy S ,Tripathi S. Alleviating effects of mobility on a global Internet[J ] . IEEE Journal on Selected Areas in Communi cations , 1995 ,13 (8) :1465 - 1480. [9 ] 　Jin C , Wei D X , Low S H. FAST TCP : motivation , architecture , algorithms ,performance[ C] . IEEE INFOCOM 2004. [10 ] 　Hadi Salim J ,Ahmed U. Performance Evaluation of Explicit Conges tion Notification ( ECN) in IP Networks[ C] . RFC 2884 , 2000. [11 ] 　Kunniyur S S. AntiECN Marking A Marking Scheme for High Band width Delay Connections[ C] . ICC 2003. [12 ] 　Pasi Sarolahti , Mark Allman , Sally Floyd. Evaluating Quick Start for TCP[M] . February 2005. [13 ] 　Katabi D ,Handley M , Rohrs C. Internet congestion control for future delay product environments [ C ] . ACM SIGCOMM , high bandwidth Aug. 2002. on tcp performance in ad hoc networks using signal strength based link management [ C ] Proc. of the Personal Wireless Communications , Venice , Italy , Sep . 2003 :611 - 624. [24 ] 　Altman E ,Jim′enez T. Novel delayed ACK techniques for improving TCP performance in multihop wireless networks[ C] Proc. of the Per sonal Wireless Communications , Venice , Italy , Sep . 2003 : 237 - 253. [ 25 ] 　Cordeiro C ,Das S ,Agrawal D. COPAS : Dynamic contention balancing to enhance the performance of tcp over multi hop wireless networks [ C] Proc. of IC3N , Miami , USA , Oct. 2003 :382 - 387. [26 ] 　赵力强 ,张海林. IEEE 802. 11 无线局域网的 TCP 性能分析和 改进[J ] . 计算机学报 ,2005 ,28 (11) . [14 ] 　TCP - Westwood Home Page [ EB OL ] . http : www. cs. ucla. edu 责任编辑 :李光辉 (上接第 10 页) 3 　结束语 介绍了一种折叠式共源共栅运算放大器的设 计 。实际的设计仿真值为 : 小信号低频电压增益 95. 7dB ;单位增益带宽 223MHz ;相位裕度 520 ;转换 μs ;共模抑制比 98. 99dB ;电源电压 5V ; 速率 108. 4V 共模输入范围 0. 579～4. 75V ;电压输出范围0. 0379～ 4. 99V ;负载电容 2pF ;功耗 16. 34mW。整个设计满 足设计指标要求 。 参 考 文 献 : [1 ] 　杨俊 ,卞兴中 ,王高峰. 一种折叠共源共栅运算放大器的设计 [J ] . 现代电子技术 ,2006 ,18 (4) :28 - 30. [2 ] 　毕查德·拉扎维. 模拟 CMOS 集成电路设计 [ M] . 西安 :西安交 通大学出版社 ,2006 :70 - 76. [3 ] 　[ 美 ]施敏. 半导体器件物理与工艺 [ M] . 苏州 : 苏州大学出版 社 ,2004 :165 - 216. [4 ] 　Gray P R , Hurst P J . Analysis and Design of Analog Integrated Circuit [M] .John Wiley & Sons , Inc. 4th ed , 2004 :160 - 183. [5 ] 　吴建辉. CMOS 模拟集成电路分析与设计[ M] . 北京 :电子工业 出版社 ,2004 :150 - 179. 责任编辑 :肖滨 —51—