羅駿
(中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所,廣西桂林,541004)
基于5G 通信技術(shù)的差分運(yùn)算放大器的研究與設(shè)計(jì),分析 5G 通信技術(shù)與差分運(yùn)算放大器之間的關(guān)聯(lián)。5G 通信傳輸?shù)氖呛撩撞?,之前的頻率帶寬完全滿足不了,也由此對毫米波技術(shù)研究逐年深入。
設(shè)計(jì)的參數(shù)目標(biāo)是,在0.35umCMOS 工藝上,使用Cadence軟件設(shè)計(jì)的一個基于5G 通信技術(shù)的差分運(yùn)算放大器,電路能到達(dá)預(yù)期指標(biāo):開環(huán)直流增益:80dB,單位增益帶寬:200MHZ,相位裕度:70°,轉(zhuǎn)換速率:200V/ns,輸出擺幅:-1.6V~1.6V。
運(yùn)算放大器,英文全稱是Operational Amplifier,縮寫為OPA,簡稱運(yùn)放。其符號如下:
在上述圖2 中,是基本運(yùn)算放大器的等效電路。在圖中,Vd 是差分輸入電壓,是Vp 和Vn 兩個輸入端電壓的差值
圖1 運(yùn)算放大器的表述符號
圖2 理想運(yùn)算放大器等效電路
Av 為運(yùn)算放大器的增益,也叫無載增益。
我們可以通過選擇電路的結(jié)構(gòu),或者增加緩沖級等諸多方法,使得實(shí)際運(yùn)放電路的增益和輸入輸出電阻接近一個理想的情況。
1.2.1 簡單的全差分結(jié)構(gòu)
在圖3 所示給出的是運(yùn)放電路中的全差分結(jié)構(gòu),Vdd 表示電源電壓,Iss 代表了一個恒流源,NMOS 單管M1 和M2 構(gòu)成了一個輸入差分對,其他兩個PMOS 管M3 和M4 構(gòu)成兩個負(fù)載,從圖中可以得到最終輸出擺幅公式為:
圖3 簡單全差分結(jié)構(gòu)
簡單全差分結(jié)構(gòu)增益并不高,通常為20dB~30dB。
1.2.2 套筒式共源-共柵結(jié)構(gòu)分析
為了具有更快的響應(yīng)頻率,便引出了套筒式共源-共柵結(jié)構(gòu)。其思路是提高運(yùn)放的輸出電阻以增大運(yùn)放電路的增益。具體結(jié)構(gòu)如圖所示4。它的低頻小信號增益公式為:
套筒式結(jié)構(gòu)的增益大約在60dB~70dB,但它的缺點(diǎn)是以減小輸入擺幅和輸出擺幅為代價(jià)去得到高增益的。如圖4 給出的套筒式全差分結(jié)構(gòu),它的輸出擺幅為:
圖4 套筒式運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)
其中,V ODj表示Mj 管的過驅(qū)動電壓,Vss 代表Iss 兩端的電壓。為了使M1 正常工作,讓它工作在飽和區(qū),那么它的輸入電壓則必須滿足(7)的式子:
1.2.3 折疊式共源-共柵運(yùn)算放大器
以上討論結(jié)構(gòu)都存在著很大的缺點(diǎn),由此引出了折疊式共源-共柵結(jié)構(gòu),增益和擺幅這兩參數(shù)上都有不錯的性能,具體電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示,這種結(jié)構(gòu)分離了輸入管,使管減少了在同一支路上層疊的現(xiàn)象。輸入電壓的范圍也比套筒式結(jié)構(gòu)增大了兩個過驅(qū)動電壓,它的輸入電壓范圍用公式可表示為:
圖5 折疊式共源-共柵運(yùn)算放大器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
而其低頻小信號增益要比套筒式共源-共柵結(jié)構(gòu)要小一點(diǎn),具體公式為:
設(shè)計(jì)這種電路思路是把輸入管給分離出來,從而使得在單獨(dú)的一條支路上盡可能減少管的疊加。這種接法的管優(yōu)點(diǎn)是輸出擺幅相較其他兩種結(jié)構(gòu)大,也可以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出短接,還可以作為單位緩沖器等。但它的缺點(diǎn)也很明顯,多了兩條支路,功耗相對增加,同時噪聲也比其他兩種結(jié)構(gòu)大。
根據(jù)以上分析選擇以折疊式共源-共柵結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)基于5G 應(yīng)用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
目前最廣泛的應(yīng)用差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)就是兩級運(yùn)放,這種電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是比一級更容易得到高的增益,同時還能得到較高的輸出擺幅。為了同時發(fā)揮兩級運(yùn)放的兩大優(yōu)勢,設(shè)計(jì)時第一級由管M0~M10 組成,使用的是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),用來盡可能大的提高增益,第二級由管M11~M14 組成,使用的是以電流鏡為負(fù)載的共源放大器,可以得到較大的輸出擺幅。
在設(shè)計(jì)的電路中,如圖6 所示為輸入級,對它的開環(huán)直流增益進(jìn)行仿真,得到如圖如圖7 所示的結(jié)果,求得其增益為44.42dB。
圖6 輸入級輸出級
設(shè)計(jì)兩級運(yùn)放的輸出級為一個以電流鏡為負(fù)載的共源放大器,如圖8 所示,輸出級主要提供一個低的輸出阻抗以此來實(shí)現(xiàn)較大的輸出擺幅,其仿真結(jié)果如圖9 所示,在圖中橫坐標(biāo)代表頻率值,縱坐標(biāo)代表開環(huán)增益值,由此可得增益為89.43dB,單位帶寬為256.8MHz。
圖8 輸入輸出級
運(yùn)算放大器的增益是一個重要的性能指標(biāo)。增益表達(dá)式為:
差模增益仿真:由于信號差分輸入,因此兩個小信號應(yīng)設(shè)置為大小相同,方向相反的兩個變量。為方便計(jì)算,將差分量設(shè)置為1V,兩個小信號就各分0.5V。測量雙端的增益大小,得到測量結(jié)果。
如圖9 是二級運(yùn)放電路的開環(huán)增益與單位帶寬的仿真,在圖中橫坐標(biāo)代表頻率值,單位為Hz??v坐標(biāo)代表開環(huán)增益值,單位為分貝,開環(huán)增益在頻率較小時是不隨頻率的變化而變化的,但當(dāng)頻率大到一定程度時,開環(huán)增益將隨頻率值的增大而減小。得到開環(huán)增益值為89.43dB,滿足初期預(yù)設(shè)指標(biāo),單位增益帶寬達(dá)到256.8MHz,滿足預(yù)期指標(biāo)200 MHz。
圖9 開環(huán)增益與單位增益帶寬的仿真截圖
相位裕度(Phase Margin, PM)是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定程度的的重要性能指標(biāo)。用仿真得到的增益波形圖和相位波形圖來計(jì)算。
為了運(yùn)放電路的穩(wěn)定性與運(yùn)放的響應(yīng)速度有一個相對完滿的折中,一般認(rèn)為相位裕度至少要45。對所設(shè)計(jì)的電路用Candence 工具進(jìn)行相位裕度仿真,如圖10 所示,橫坐標(biāo)代表頻率值,單位為Hz,縱坐標(biāo)代表開環(huán)增益值,單位為分貝,再由M2、M3 可求得到相位裕度為92°,完全滿足本次論文的預(yù)期指標(biāo)70°。
圖10 相位裕度仿真
建立時間是衡量運(yùn)算放大器速度的重要指標(biāo),它表示(階躍)從輸出開始到輸出穩(wěn)定的時間。測量時可以將輸入小信號設(shè)置為階躍信號。通過瞬態(tài)仿真和計(jì)算器求得。
如圖11 所示,橫坐標(biāo)代表時間,單位為納秒,縱坐標(biāo)代表電壓值,單位為伏特,得出建立時間仿真結(jié)果,用"Calculator"計(jì)算的時間值為15.31ns,完全滿足本預(yù)期設(shè)計(jì)需求。
圖11 建立時間仿真結(jié)果
轉(zhuǎn)換速率表征運(yùn)放對大信號的處理能力,其值越大表示其對信號的細(xì)節(jié)成分還原能力越強(qiáng)。
轉(zhuǎn)換速率其仿真截圖如圖12 所示,其中橫坐標(biāo)代表時間,單位為納秒,縱坐標(biāo)代表電壓值,單位為伏特,仿真圖值可用軟件自帶的計(jì)算器算出結(jié)果,其值為333.31V/us>200 V/us,滿足預(yù)期需求。
圖12 轉(zhuǎn)換速率仿真仿真結(jié)果
擺幅:在正常情況下輸出的最大動態(tài)范圍。由設(shè)計(jì)目標(biāo)要求擺幅大于3.2V,故需單邊擺幅大于1.6V。已知電源電壓為3.3V,則輸入管跟尾電流源可以分配最大為1.7V。為得到運(yùn)放輸出擺幅,仿真時需要對信號進(jìn)行直流掃描。將輸入小信號信號設(shè)置為變量,在DC 掃描設(shè)置時,應(yīng)將掃描范圍設(shè)置為一個負(fù)值到一個正值,從而獲得雙邊擺幅。得到輸入輸出曲線后,將輸入在0 值附近的那段呈線性關(guān)系的范圍對應(yīng)的輸出作為放大器的擺副。其仿真結(jié)果如圖13 所示,可得到結(jié)果上擺為1.77V,下擺為-1.73V,滿足預(yù)期指標(biāo)。
圖13 輸出擺幅仿真截圖
根據(jù)5G 傳播信號的特性設(shè)計(jì)出其傳播電路,從運(yùn)算放大器基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)出發(fā),比較了這幾種電路的優(yōu)缺點(diǎn),確定設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)。
對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn),改進(jìn)MOS 管的寬長比,改進(jìn)偏置電壓所設(shè)值,所有MOS 管都處飽和區(qū),設(shè)計(jì)出符合預(yù)期參數(shù)要求的電路。設(shè)計(jì)出一款在3.3V 的電源電壓下,增益為89.43dB、單位增益帶寬為256.8MHz、相位裕度為92°、輸出擺幅為3.4V、建立時間為15.31ns、轉(zhuǎn)換速率為333.31V/us完全滿足預(yù)期指標(biāo)。