以應(yīng)用于數(shù)模混合信號(hào)芯片中的運(yùn)算放大器為對(duì)象，完成芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證的全流程，包括運(yùn)算放大器的電路和版圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)階段的前仿和后仿驗(yàn)證、以及對(duì)PDK的驗(yàn)證全流程實(shí)驗(yàn)。

3.設(shè)計(jì)要求

①使用0.18μm工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)

②電源電壓：1.8V±10%

③工作溫度：25℃，0℃至50℃，-20℃至85℃，-40℃至+125℃

④詳細(xì)指標(biāo)要求：

4.作品特色

本作品在差分輸入單端輸出的共源共柵運(yùn)算放大器基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上，大膽嘗試了一種新的設(shè)計(jì)架構(gòu)，即故意失配的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。與常規(guī)的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)相比，節(jié)省了大約20%的版圖面積以及10%的靜態(tài)功耗。

5.作品介紹

5.1 不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)

如上圖，為運(yùn)算放大器的主體部分結(jié)構(gòu)。輸出側(cè)采用較大尺寸MOS，非輸出側(cè)采用較小尺寸的MOS，兩側(cè)尺寸之比n：1，形成故意失配結(jié)構(gòu)，兩側(cè)電流之比也為n：1。增益由輸出側(cè)視入電阻、輸入對(duì)管跨導(dǎo)確定：

此表達(dá)式與對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)完全一致！同時(shí)節(jié)省了非輸出側(cè)的版圖面積以及靜態(tài)功耗，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)差分信號(hào)的處理。

5.2 高等效視入電阻電流源解決共模抑制比的惡化

為了解決故意失配的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)造成的共模抑制比惡化的問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了尾電流源，采用雙管堆垛的電流源結(jié)構(gòu)。尾電流源等效視入電阻增加gmro倍，從而同時(shí)優(yōu)化了負(fù)載失配以及輸入對(duì)管失配造成的從共模到輸出結(jié)點(diǎn)的電壓變化。

5.3 折疊式結(jié)構(gòu)解決多管堆疊造成的偏置困難

由于采用了共源共柵架構(gòu)以及上述的雙管堆垛的高等效視入電阻尾電流源架構(gòu)，運(yùn)算放大器主體部分單條支路上多達(dá)6個(gè)晶體管，造成偏置困難、工作不穩(wěn)定的問(wèn)題。因此，必須采用折疊式輸入設(shè)計(jì)，本團(tuán)隊(duì)對(duì)運(yùn)算放大器主體部分做了下圖改進(jìn)。

5.4 Cascode補(bǔ)償提高帶寬

5.4.1 Cascode補(bǔ)償介紹

Cascode補(bǔ)償基本結(jié)構(gòu)如下圖。與Miller補(bǔ)償相比，M9截?cái)嗔藦慕Y(jié)點(diǎn)X到結(jié)點(diǎn)Y的前饋通路，從而消除了零點(diǎn)。同時(shí)，與Miller補(bǔ)償相比，次極點(diǎn)位置也移至更高頻率，使得用更小的補(bǔ)償電容，也具有相當(dāng)?shù)难a(bǔ)償效果，帶寬從而得以提升。

5.4.2 Cascode補(bǔ)償與共源共柵放大器的結(jié)合

若第一級(jí)為共源共柵放大器，Cascode補(bǔ)償MOS管可以作以下結(jié)合：

Miller補(bǔ)償與Cascode補(bǔ)償仿真對(duì)比如下：

5.4.3 尖峰問(wèn)題

仿真結(jié)果顯示，Cascode補(bǔ)償在單位增益帶寬外較近的位置產(chǎn)生了尖峰，主要原因是Cascode補(bǔ)償MOS管M7等效視入電阻并不是無(wú)窮大。

由于共軛極點(diǎn)十分靠近單位增益頻率，產(chǎn)生的尖峰對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響十分嚴(yán)重，因此需要減小共軛極點(diǎn)產(chǎn)生的尖峰，這需要減小共軛極點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)