0 引言
運算放大器的用途非常廣泛，是許多模擬系統和混合信號系統中的一個完整部分，大量具有不同復雜程度的運算放大器被用來實現各種功能，從直流偏置到高速放大或者濾波等。在很多功率電路中，對運算放大器的溫度特性要求很高。例如，應用于功率放大器控制電路中的運算放大器，由于功率放大器是大功率器件，自身消耗的功率大，將導致功率放大器芯片的溫度變化很大。因此要求控制電路中運算放大器的增益、穩(wěn)定性等受溫度影響要小。
1 運算放大器的結構選擇
運算放大器有很多種結構，按照不同的標準有不同的分類。從電路結構來看，有套筒式共源共柵、折疊式共源共柵、增益提高式和一般的兩級運算放大器等。
圖1給出3種運算放大器的結構，分別為兩級放大器、折疊式兩級套筒OTA、折疊式兩級聯OTA。比較以上三種結構，發(fā)現折疊式的共源共柵0TA輸入擺幅最大，輸入共模電平容易選取，而且輸入和輸出可以短接。正是由于這些原因，折疊式共源共柵運算放大器更加廣泛。同時考慮到不同電壓溫度條件下增益要達到110 dB，因此采用兩級運算放大器。
2 折疊式共源共柵全差分運算放大器的原理
共源共柵結構的設計思路是將輸入電壓轉化成電流，然后將他作為共源共柵級的輸入，共源共柵級電流的變化再轉化為輸出電壓的變化。一個完整的全差分折疊式共源共柵全差分運算放大器包括偏置電路、共模反饋電路和主體電路3個部分。
2.1 偏置電路分析
本文選用寬擺幅偏置電路，如圖2所示，它的主要單元是低壓共源共柵電流鏡，由PMOS和NMOS電流鏡組成。首先，分析該電路的PMOS寬擺幅電流鏡，該電流鏡由M4～M8組成，假設取M5，M6的寬長比一樣，那么M5，M6的過驅動電壓也是一樣的，要使他們都飽和，則M5漏端電壓至少為2倍的過驅動電壓。M5的主要作用是降低M6的漏源電壓，這樣M6能更好地匹配M4的電流。調節(jié)M5的尺寸，可以控制M6的漏源電壓，一般M5的尺寸小于M6尺寸的1/4，取M5=1.5 μm。同時為了減小短溝道效應，M4，M5柵長要稍微長點，取L=1 μm。NMOS電流鏡也是這樣的。合理調節(jié)電路參數可以使系統的增益、相位裕度等受溫度影響很小。
2.2 CMFB電路
CMFB的實現有連續(xù)時間方法和開關電容方法。本文采用連續(xù)時間方法，如圖3所示，共模采樣端輸出共模電平通過2個相等的電阻R采樣。這種結構能確保在一個很大電壓范圍內會有全平衡輸出口。Vref是共模參考電平，這個電路和M13～M17共同構成一個閉環(huán)負反饋回路，使共源輸出級的共模電平近似等于Vref。由于這兩級電路的內部都是低阻抗節(jié)點，因此可達到較大的開環(huán)單位增益帶寬。一般情況下，只要共
模輸入信號的帶寬小于CMFB的單位增益帶寬就可保證電路共模電平穩(wěn)定。
2.3 主體電路
本文采用帶共源輸出緩沖的全差分折疊式共源共柵結構，如圖4所示，它的主要優(yōu)點就是較高的增益，輸入共模范圍較大。
2.4 直流增益分析
圖4所示的運算放大器存在兩級：折疊式共源共柵級增大直流增益和共源放大器。
第一級增益：
第二級增益：
整個運算放大器的增益：
因此，要提高運算放大器的增益，主要是提高相應的MOS管跨導和輸出阻抗。同時合理地調節(jié)電路參數可以使增益、相位裕度等受溫度影響很小。
3 折疊共源共柵全差分運算放大器的版圖設計
應該采用更加合理的版圖布局，更加統一的連線和過孔連接等，使對稱電路的寄生效應一致。在全差分運算放大器版圖設計時，尤其要注意版圖的對稱。
4 仿真結果與分析
基于TSMC0.18μm工藝，版圖設計如圖5所示。對版圖提取寄生電阻、電容，采用HSpice，Cadence軟件進行模擬仿真。
其中圖6為頻率響應隨溫度變化的曲線。從圖6可以看出，最大增益可達115 dBm，相位裕度為70°，在整個溫度范圍內(-40～+125℃)增益變化僅為1 dBm，相位裕度僅變化5°。圖7中電源電壓從2.7 V變化到3.3 V范圍內，該結構的運算放大器受電源電壓影響很小，完全滿足實際應用。
5 結語
本文針對藍牙功率放太器控制電路的要求，設計了一個對溫度不敏感的運算放大器。采用寬擺幅的偏置電路、選取合理的電路參數等，消除了溫度和電壓對運算放大器性能的影響。