一种应用于模拟技术的高速CMOS全差分运算放大器

简介：
本作品设计了一种适用于高性能模拟电路中的高速CMOS全差分运算放大器，旨在提升信号处理速度和精度。 ### 引言 运算放大器（简称运放）是模拟电路中最通用的单元之一。全差分运放是指输入和输出均为差分信号的运放类型。相比传统的单端输出运放，全差分运放具有以下优点：更低噪声、更大的输出电压摆幅、更好的共模噪声抑制效果以及更有效的谐波失真抑制（特别是偶数阶项）。因此，在高性能应用中，全差分形式成为首选。 近年来，随着对高速和低压电路的需求增加，全差分运算放大器因其更高的单位增益带宽频率及更大的输出摆幅而受到更多关注。特别是在高数据转换率的应用场景下，如高速模数转换器（ADCs），需要高性能的运放来支持系统所需的精度与响应速度。 然而，在模拟电路设计中，速度和精度往往是相互矛盾的目标：追求更快的速度可能会牺牲精度；反之亦然。为了解决这一问题，共源共栅技术被引入全差分运放的设计之中。这种结构可以同时实现高增益和宽广的单位增益带宽，从而在一定程度上平衡了这两者的需求。 然而，在实际应用中，由于外部反馈环路中共模环路增益较低的问题，输出共模电平难以精确控制。因此通常需要附加共模反馈电路（CMFB）来稳定输出共模电压水平。 选择全差分运放时必须综合考虑多种因素：如单位增益带宽、开环增益、建立时间、输入和输出的动态范围以及电源抑制比等性能指标。常见的全差分运放结构包括简单两级设计，套筒式共源共栅（CSCG）架构及折叠式共源共栅配置。 - **简单两级全差分运放**：这种类型的放大器拥有最大的电压摆幅但频率响应较差、功耗较大且电源抑制比和共模抑制比较低。 - **套筒式共源共栅结构**：具有优秀的频率特性，最低的功耗水平。不过其输入范围及输出摆幅相对较小。 - **折叠式共源共栅运放**：结合了良好的频率特性和较大的电压摆幅优势，但同时也有较高的能耗，并且存在四条电流路径。 在高速应用场合下，采用折叠式共源共栅结构的全差分运算放大器因其输出范围较大、输入与输出端能够直接相连以及便于调整输入公共模式电平的优势而更受欢迎。这类运放设计包括了驱动管（通常选择P型晶体管以减少寄生电容并提高频率响应）、折叠式共源共栅级和CMFB电路，通过调节偏置电压实现稳定控制。 全差分运算放大器在现代模拟电路中扮演着重要角色，特别是在需要高速、高精度及低电压操作的应用场景下。设计时需权衡速度与精准度之间的关系，并采用适当的架构和技术来优化性能表现。随着集成电路技术的进步，未来全差分运放的设计将继续改进以满足更严格的系统要求。