李冰冰，杨 明

1.淮北职业技术学院电子信息系，安徽淮北，235000;2.亳州师范高等专科学校理化系，安徽亳州，236800

集成运算放大器是一种高输入电阻、低输出电阻和高放大倍数的多级耦合放大器，能够实现对模拟信号的运算。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，用以实现数学运算，对信号进行较为简单的处理。放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏特性，由于受到直接耦合方式及环境温度等因素的影响，若接收到内外界的干扰信号，将使放大电路的输出发生偏差，造成测量误差或使系统发送错误动作。这些影响多为噪声，因此，在特定条件下(如高灵敏度)，噪声干扰仍然是一个不可回避的问题，本文采用CMOS工艺设计了一个低噪声运算放大器，主要对噪声进行优化。

1 全差分低噪声运算放大器的设计

随着科技的飞速发展，在不同领域之间科学技术互相关联、相互交融，比如：离子敏感传感器用来测量水中离子浓度时，它感应出来的信号电压是很微弱的，要将微弱的信号放大，就需要低噪声、高精度的放大器，同时还要考虑芯片的工作电压、系统信噪比以及解析度等。设计电路要同时兼顾相位裕度、线性度、带宽、噪声、增益等多种指标非常困难，要依据实际情况有取有舍。本文设计的运算放大器考虑噪声性能及保持一定的线性度；同时，考虑带宽及增益。基于以上分析，设计采用两级运放比较合适，初步的主电路如图1所示。

由于电路的等效输入噪声是输出噪声比上运放的增益，因而运用共源共栅结构可大大提高运放的增益，用公式表示如下:

(1)

(2)

依据公式(2)可知，要减少第二级电路噪声对总输入噪声的影响，可以通过提高对第一级电路的增益来实现，因共源级放大电路增益很难与共源共栅结构相比，使用共源共栅结构较好，共源共栅结构中折叠式功耗大、噪声较高，所以第一级电路使用了套筒式的共源共栅结构。同时，由于NMOS管比PMOS管的闪烁噪声高，在这里选用PMOS管，PMOS管作为输入管可以减小Eascode结构对电路摆幅的压力，使得电路的设计难度减小。由于第二级要符合低阻抗输出、带动负载能力强的要求，一般情况下，若要带动小负载，选择共源级已可满足，其另一优点是电压余度的消耗少。

1.1 低噪声运放输入级的设计

为稳定直流共模输出电压，保证输出级工作于线性区，在全差分的结构中常采用共模反馈电路(CMFB)，如图2所示。

图2 共模反馈电路图

图2共模反馈电路图中，M15提供偏置电流，大小由M20和M15的宽长比、IDC2共同决定，如下公式表示:

(3)

负载管M18，M19的漏源之间短接，此种连接使输出阻抗约为1/(gm+1/r10)，将M18、M19等效成1/gm18、1/gm19的负载电阻，使得流过M17的驱动电压及电流减小(也即P点的输出电压减小)，控制通过输出电阻的电流大小，两电流之间呈反向增减关系。当输入信号增加时，可以通过减小漏极电压保持电流不变，所以要设计稳定运放共模输出电平，可以利用负反馈的原理来实现。

1.2 运放输出级的设计

图3 甲乙类推挽式输出级

CMOS运放电路输出级的基本作用是电流变换，应该具有向负载输出大的信号功率的能力，本文设计了甲乙类推挽式输出级。M21和M23为推挽输出管，而M20和M22在这里有两个作用：一为输出管子设置合适的静态工作点，以便提供适当的偏置，减小交越失真；二是由于系统失调由M20和M22管子决定，所以可通过对其适当的设置来降低系统失调，从而降低输入失调电压。

1.3 运放补偿电路设计

图4所示为补偿电路等效图工作在闭环状态，其系统增益可表示为：

假如G(s)H(s)=-1，那么增益将会趋于无限，电路中就会产生自激振荡。根据巴克豪森判据，当环路总的相移达到360°时，负反馈就会变成正反馈，这多数是由于放大电路中含有RC回路存在附加相移造成的。要消除振荡，就要采取补偿措施，图4是补偿电路等效图。

图4 补偿电路等效图

由图4可知：

(4)

(5)

所以

(6)

由图5可以看出，单位增益带宽为50M，相位裕度为60°。

图5 仿真的运放幅频与相频曲线

2 仿真结果及分析

2.1 运放噪声的仿真分析

图6 输入噪声曲线

2.2 运放线性度仿真分析

由于差动对不会产生偶次谐波，可以大为减少系统失真。

图7 输出功率频谱

图7为输入12 mV输出功率频谱图，1 M频率处3阶功率差为28 dBm，根据线性度指标IIP3的定义：

可以得到IIP3的值是-11.5 dBm。

2.3 运放的温度特性

图8 增益温度响应

在集成电路工艺当中，环境温度的变化将会促使器件的参数发生改变，在制造工艺中，这一点尤为突出，在不同温度的情况下，有必要进行电路参数的仿真。根据图8可知，当环境温度在75℃到-10℃的变化范围内，运放增益由86 dB上升为90 dB。

通过噪声的温度相应图可知，当温度由-10℃到75℃变化时，参看输入参考噪声曲线，不难发现，温度升高噪声也略有上升，但在输入信号为1 kHz频率处依然满足设计要求。

图9 噪声的温度响应

3 结束语

参考文献：

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