一种低噪声高共模抑制比运算放大器的分析与设计.pdf

《一种低噪声高共模抑制比运算放大器的分析与设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、第41卷第2期数字通信Vol41．No．22014年4月25日DigitalCommunicationApr．25201477DOI：10．3969／j．issn．1005-3824．2014．02．018一种低噪声高共模抑制比运算放大器的分析与设计罗鹏，庞宇(重庆邮电大学光电工程学院，重庆400065)摘要：低噪声高共模抑制比的运算放大器是将套筒式共源共栅结构、差分输出和共模负反馈相结合，设计出的一种新型运算放大器。基于SMIC0．18Ixm工艺模型对电路进行设计，仿真结果表明该电路的开环增益为

2、82．3dB，相位裕度为66。，共模抑制比为122dB，增益平坦带宽为15MHz，噪声为7．781nV／sqrt(Hz)，达到设计要求。关键词：低噪声；高共模抑制比；套筒式共源共栅；共模反馈中图分类号：TN722．3文献标识码：A文章编号：1005．3824(2014)02-0077-040引言随着人们探索自然步伐的前进，在医疗数据采集系统中，广泛存在着微弱信号，而所提取的微弱电信号流(毫安级)都被淹没在噪声和高的共模电压中。如果要将微弱信号放大，就要求放大器本身具有低噪声高共模抑制比的特性，这样

3、才能抑制共模图1运算放大器的总体框架信号的放大，从而提取并放大有用信号J。目前一1．1前级放大器设计般的低噪声运放都是采用PMOS为输入管的共源共前级放大一般采用2种方式。一种方式为栅组合，PMOS管比NMOS管的噪声系数低，然后PMOS管输入的套简式共源共栅放大器J，如图2采用全差分的形式来达到增加共模抑制比和降低噪所示。M1和M2为2个差分输入端，M5一M8为声干扰的目的。但是，这种电路结构仍然有一定的NMOS管级联的有源负载，M0则是尾电流，为整个缺陷，比如，由于输出级的共模信号难以正确估计

4、，输入级提供电流。由图2可知，这种输入方式的增波动性大，导致输出的差分信号不稳定，使得差分益为输出不能够很好地实现J。因此，稳定输出共模信Av=gm1。(g5r出5r出7IIgm3r出3r出1)(1)号显得非常重要。本文针对这些问题设计了一种新每单位带宽内的输人参考噪声电压为的运算放大器，并对低噪声高共模抑制比运算放大(+)(2)器的输入输出级、噪声的计算、共模反馈电路和补偿另一种方式则是PMOS管输入的折叠式共源共栅放电路等方面进行分析设计，使其达到设计要求。大器，如图3所示。同样M0为尾电流，

5、M1和M2为1电路设计2个差分输入端，M3一M8为有源负载。此结构的增益则为为了使电路具有较高的增益，所以该电路采用A=g1(gasr5r3lIgin71"出7(rlJIl'ds9)(3)2级放大的结构，电路的整体结构如图1所示。整而每单位带宽内的输入参考噪声电压则为个电路由前级放大、差分输出、补偿电路和共模反馈4部分组成。补偿电路是为了电路具有更好的频响++象)c4，特性，而共模反馈是为了稳定共模电压_4J。由前面分析可知，套筒式共源共栅结构的噪声要明显小一些，只是开环增益没有折叠式共源共栅结构

6、收稿日期：2013—12—27修回日期：2014—01—15高J，但是我们需要的低噪声，由此前级放大我们78数字通信第41卷Vin鲫图4套简式共源共栅结构使运放的2个输出端的共模电平稳定。在共模反馈中，一般有3个过程：首先，检测输出共模电平；其次，与一个参考电压Vref进行比较；最后，将误差电图2套筒式共源共栅结构压反馈回偏置网络。VDO图3折叠式共源共栅结构图5共模反馈电路选择套筒式共源共栅结构。本文采用如图5所示的共模反馈电路，其原理通过分析可知，在低频时，图2中主要产生的噪为：在图5中共模反

7、馈支路由M17，M18和M19，声是M1，M2和M7，M8。因此，我们在设计电路时M202个差动对组成，这2个差动对分别将运放的2可以增大这4个MOS管的面积或者减小M7和M8个输出端Voutl和Vout2的共模电平与参考电压的跨导，这样可使整个套筒式共源共栅的噪声较低。Vref进行比较，然后将反馈电压值Vcmfb通过电流1．2输出级设计镜M23来调节运放的尾电流源，从而来稳定2个输为了使电路具有低噪声、高共模抑制比和宽摆出端的共模电平J。由于本电路所使用的电源电幅等特性，我们采用差分形式的推挽级

8、输出结构，如压为1．8V，因此这里的Vref=0．9V。图4所示。2总体电路由此可见，输出级的增益A=gml4(。Ilrd~12)，如图6所示为该运算放大器的整体电路图，其中输人参考噪声电压+)，在设计输入级采用套筒式共源共栅结构，输出级采用差动输时只需使M13的宽长比远大于M11，输出级的噪声出，再通过共模反馈电路来稳定输出端的共模信号，就由M13产生。通过RC来补偿电路的相位裕度，使极点分离，通过1．3共模反馈电路设计。与R：的阻值使该零点与第二极点相消。差分运算放大器中，2个