★ FEATURED ARTICLE 做模拟IC设计迟早会在项目里碰上做一个运放这个需求而单端两级运放又是其中最经典、最基础的存在。我最近刚完成一轮基于5T-OTA加CS架构的两级运放设计输入级用五管OTA输出级用共源放大器电源1.8V输出挂2pF负载设计指标是直流增益60dB以上、单位增益带宽10MHz、相位裕度60°以上。结构看着简单但从偏置电流分配到米勒补偿电容的取值每一步都有细节。文章按我实际操作的顺序来写从为什么选这个结构、管子尺寸怎么推、仿真怎么调、到最后哪些坑最常踩一条龙整理出来给同样在做运放设计的开发者一个可复用的参考。1. 结构选型的逻辑为什么是5T-OTA加CS1.1 单级方案为什么做不到60dB再加2pF负载很多教材在讲运放时会先介绍单级OTA比如套筒式cascode、折叠cascode。这类结构的优点是高阻节点少稳定性天然好一个输出节点就能提供50~70dB增益。但它的致命缺点是输出摆幅小套筒结构里输出节点上下各堆了两三个管子每个管子至少要留0.15V到0.2V的过驱动电压在1.8V电源下输出范围通常只能做到0.6~0.9V。如果负载再大一点比如后面接2pF采样电容单级OTA要同时维持高增益、高带宽和大摆幅会非常吃力。折叠cascode摆幅稍好但高阻节点多了一个补偿难度也跟着上来。两级架构的设计逻辑就是一句话让每一级只干一件事。第一级专注放大把差分信号变成足够大的单端电压第二级专注输出提供负载电流和摆动范围。5T-OTA加CS的组合把放大和输出两种职责拆得很干净。第一级是纯电压增益第二级是电流能力加电压增益两个角色不互相拖累设计可控性强。1.2 5T-OTA做第一级的三个理由5T-OTA顾名思义总共五个晶体管一个尾电流源、一对差分输入管、一对电流镜负载管。没有cascode没有共模反馈是教科书里最基础的OTA结构。选它做第一级理由有三个。第一输入级只需要提供高gm和中等增益五管结构在低功耗下就能做到30~40dB完全够用。第二它只有一个高阻输出节点内部没有第二个寄生极点做米勒补偿时极点分裂比较干净不容易被寄生极点拖后腿。第三五管结构的输入共模范围好调节改尾电流管尺寸就能把输入共模点压到合适位置对前级驱动电路比较友好。作为对比如果第一级用cascode结构输出阻抗确实更高但输出节点多了一堆管子寄生电容明显变大次极点更容易被拖到带宽附近相位裕度反而更难做。对10MHz这个带宽量级5T-OTA是一个性价比很高的选择。1.3 CS第二级是增益和摆幅的双赢共源放大器做第二级核心原因有两个输入阻抗高不消耗前级电流输出节点只有一个MOS管加一个电流源负载摆幅可以做得很大。CS级的输入管栅极直接接第一级输出节点栅极输入电容只有Cgd加上Cgs的米勒等效在量级上比第一级自身的输出寄生电容小不会明显压低第一级高阻节点。输出端放大管漏极直接接负载上面用一个电流源负载。电流源负载的输出阻抗高所以第二级增益能做到20到30dB同时输出高电平可以顶到接近VDD减一个过驱动电压低电平可以到放大管的过驱动电压附近相比单级cascode的优势非常明显。CS级当然也有代价输入管的栅漏之间存在米勒电容会在第一级输出节点引入随频率升高的等效电容必须靠米勒补偿去处理否则环路很容易在较高增益下振荡。这就是为什么后面必须认真对待补偿电容和调零电阻。2. 电路原理拆解五管OTA加CS的完整信号链2.1 五管OTA里每个管子都在干什么我用的输入对管是PMOS。具体连接方式是这样的M5是尾电流源管源极接VDDM1、M2的源极接在一起连到M5漏极栅极分别接正负输入漏极分别接M3、M4的漏极。M3、M4源极接地栅极接在一起M3栅漏短接构成本级镜像的参考支路M4镜像M3电流构成有源负载。输出从M2漏极和M4漏极的公共点引出接第二级输入管的栅极。M1和M2提供跨导gm把输入差分电压变成差分电流。M3和M4组成的电流镜把M1的电流变化按1比1搬运到输出侧实现差分到单端的转换。M5是尾电流源决定整个输入级的静态电流同时影响共模输入范围。这里有一个新手容易忽略的点M3和M4的宽长比匹配性直接影响输入失调电压。按平方律模型估算电流镜的失调电压近似等于两个管子阈值电压偏差加上尺寸失配引起的电流偏差除以输入管gm。流片时M3和M4的版图必须做交叉耦合仿真阶段也要在工艺角下评估失配影响不能只看理想模型。2.2 CS级如何把增益和摆幅顶上去第二级的电路很直接M6是共源放大管源极接地漏极接M7的漏极M7栅极接偏置电压作为电流源负载。输入信号从M6栅极进输出从M6漏极取。小信号时M6栅源电压变化产生漏极电流变化电流流过输出节点的等效阻抗形成输出电压。增益表达式为Av2约等于gm6乘以ro6并联ro7。提高增益的途径是增大gm6或增大ro6、ro7。实际设计里M7通常用长沟道器件因为电流源负载的输出阻抗直接决定第二级增益上限M6的gm则靠电流和宽长比来给。CS级带来的第二个收益是摆幅。输出漏极的高电平受M7过驱动电压限制低电平受M6过驱动电压限制输出范围大约是M6过驱动电压到VDD减去M7过驱动电压。在1.8V电源下做到1.2V以上的峰峰摆幅是很容易的。相比第一级输出节点在较小范围内摆动第二级给负载提供的信号幅度大了一个数量级。2.3 两级级联的增益表达式把两级串起来低频增益是两级增益的乘积Av约等于gm1乘以ro2并联ro4再乘以gm6乘以ro6并联ro7。用一组典型数值来感受一下量级。假设gm1为270微安每伏第一级输出阻抗约80千欧第一级增益约21.6倍折算约26.7dB。gm6为800微安每伏第二级输出阻抗约30千欧第二级增益约24倍折算约27.6dB。总增益约500倍也就是54dB左右。这个值距离60dB还差一些所以要达到目标第一级输出阻抗要再抬高或者第二级再多给一点增益。这一点在尺寸设计部分专门讲怎么调整。3. 设计指标与参数计算全过程3.1 先定规格再倒推参数设计开始前我把指标固定下来负载电容CL为2pF直流增益不小于60dB单位增益带宽GBW不小于10MHz相位裕度PM不小于60度静态电流预算不超过100微安电源电压VDD为1.8V。模拟设计最忌讳没有指标就开始画管子后面会反复返工。先从GBW倒推输入管跨导。两级米勒补偿运放的单位增益带宽近似为GBW等于gm1除以2π乘以Cc。这里的gm1是输入对管的等效跨导Cc是米勒补偿电容。把GBW等于10MHz代入得到gm1除以Cc约等于6.28乘以10的7次方弧度每秒。如果Cc取4pF则gm1约为251微安每伏。取输入对管每边电流20微安过驱动电压Vov为150毫伏那么gm1等于2倍的Id除以Vov也就是267微安每伏和需求很接近Cc取4pF时GBW大约10.6MHz。这里的关键逻辑是GBW不直接由功耗决定而是由gm1除以Cc的比值决定。想要低功耗又高带宽就必须把输入管的gm做高。在固定电流下减小Vov可以增大gm但Vov太小会带来匹配变差、对工艺角敏感的问题一般取100毫伏到250毫伏之间比较合理。3.2 偏置电流怎么分配总电流预算100微安。我的分配方案是尾电流源40微安第二级60微安输入差分对每边20微安电流镜支路也是20微安。这样分有依据。第一级的尾电流决定SR和输入管gm。对米勒补偿的两级运放SR约等于尾电流除以Cc。40微安除以4pF等于10伏每微秒对一般传感器信号和10MHz级别的运放够用。如果尾电流再加gm1会上去但功耗和面积都涨而且M5沟长调制会导致共模输入范围变小。第二级的电流必须比第一级大因为它要驱动2pF负载。CS级的gm6直接影响次极点位置次极点大约在gm6除以CL附近。要保证它在GBW的3倍以上才能留出60度左右的相位裕度。取I6等于60微安Vov6等于150毫伏gm6约800微安每伏次极点约等于800微安每伏除以2pF折合频率约63.7MHz大约是GBW的6倍。这个比例下相位裕度有比较充裕的余量。3.3 宽长比W/L的推导实例我用0.18微米工艺的典型参数来做示范计算N型管的μnCox约300微安每伏平方P型管的μpCox约100微安每伏平方。输入对管M1和M2用PMOS每边漏电流20微安Vov为150毫伏。由Id等于二分之一乘以μpCox乘以W/L乘以Vov平方得到W/L等于两倍的Id除以μpCox乘以Vov平方代入数值后约17.8取整数20比1。后面仿真再微调。M3和M4电流镜负载用NMOS电流20微安不需要太小的Vov取Vov为200毫伏W/L约3.3。但负载管的输出阻抗更重要我会把L取到1微米甚至2微米比如W/L取6比2牺牲一点面积换更高的ro。M5尾电流管用NMOS40微安Vov为200毫伏W/L约6.7同样取长沟道提升尾电流源阻抗比如W为12微米、L为2微米。M6第二级放大管用NMOS60微安Vov为150毫伏W/L约17.8取18比1。此时gm6等于2乘以60微安除以150毫伏即800微安每伏。M7第二级电流源负载用PMOS60微安Vov为150毫伏W/L约53.3取54比2。L取2微米保证ro7足够大。这些数值是手算的出发点不是终点。工艺模型里的高阶效应会让实际结果和平方律有偏差仿真就是把手算初始值带进电路去校正。3.4 米勒补偿电容和调零电阻怎么取有了gm1之后补偿电容Cc直接从GBW公式来算约等于267微安每伏除以6.28乘以10MHz结果约4.25pF取4pF。但两级米勒补偿有一个绕不开的麻烦Cc在信号通路里会产生一个右半平面零点位置在gm6除以Cc附近。右半平面零点会让相位曲线提前上扬压缩相位裕度。解决办法是在Cc支路里串一个调零电阻Rz取Rz约等于1除以gm6大约1.25千欧把零点推到左半平面或者干脆和次极点对消。实际做的时候Rz通常用一个工作在线性区的MOS管实现通过栅压控制阻值。我初期仿真时直接把Rz设为理想电阻1.5千欧等环路行为正常后再替换成MOS管实现。补偿还有一个细节Cc取值既影响GBW又影响SR。4pF在2pF负载附近还算合理。如果Cc太大带宽会降太小相位裕度不足。仿真时我习惯扫描Cc从2pF到6pF观察相位裕度的变化找到临界点。4. 仿真验证流程与迭代调试4.1 第一步DC工作点检查原理图搭完后先跑DC仿真把工作点验一遍。重点看三件事所有MOS管的工作区是否都在饱和区输入差分对两边的漏电流是否严格相等输出节点静态电压是否在预期范围。对两级运放理想输出静态点设在VDD的一半也就是0.9V附近。我经常用DC operating point表格逐条扫任何一个管子掉进线性区都要先解决否则后面AC和瞬态全是白做。比如第二级M6如果漏极静态电压被拉得太低说明M7的电流能力不够匹配如果Vout静态点偏到1.1V以上回头查M6的W/L或M7的偏置电压。4.2 第二步AC仿真确认增益和带宽DC没问题之后跑AC分析。测试条件是把运放接成单位增益负反馈在正输入端加1V的AC信号扫1Hz到100MHz看输出端的幅频和相频曲线。我这轮设计里仿真结果显示低频增益约62dBGBW约10.2MHz0dB处的相位约68度指标达标。需要特别留意的是AC主极点位置如果主极点低于1kHz说明第一级输出阻抗比预估更高如果主极点偏高太多要检查是不是第一级输出节点有额外寄生电容被忽略。对相位裕度的观察不能只看0dB处那一个点的相位值。最好把相频曲线整条拉出来看有没有局部的相位凹陷这种凹陷可能来自电流镜等高频寄生零点的影响。4.3 第三步瞬态仿真验证SR和过冲AC指标达标后跑瞬态看大信号行为。我会在单位增益接法下加一个幅度1V、边沿1ns的阶跃输入观察输出上升时间、过冲量和振铃。如果过冲超过20%说明相位裕度实际不足需要加大Cc或提高第二级跨导。如果输出出现持续振荡则多半是补偿彻底失效了优先检查Rz是否接反方向或者零点在右半平面导致环路不稳定。SR的测量也很直观给一个大阶跃看输出斜率我测到的上升斜率约9.8伏每微秒与手算的10伏每微秒很接近说明工作点和补偿没有重大偏差。4.4 第四步工艺角与温度扫描这步是流片前必须做的。我把工艺角设为典型、慢、快三组温度取零下40摄氏度、27摄氏度、125摄氏度组合扫描。结果发现快角下GBW会升到12MHz以上相位裕度降到约52度。虽然还在范围边缘但我还是调整了第二级电流让最差情况下的相位裕度守住60度。这也是经验之一手算和典型角仿真只是一个起点真正决定设计裕量的是工艺角边界的表现。如果慢角下输出摆幅变小多半是过驱动电压变大导致M6提前进入线性区此时需要适当放宽Vov的设定。5. 常见问题与排查技巧实录5.1 相位裕度不足、输出振铃明显现象是AC仿真0dB处相位只有45度左右瞬态阶跃过冲30%甚至自激振荡。排查步骤先看Cc是否偏小扫描2pF到6pF观察相位裕度变化。再看Rz是否过大过大的Rz会把零点拉回右半平面。最后看CL是否被低估寄生电容加载过多会让次极点下移。这类问题在两级运放里最常见我调试时习惯把补偿支路单独断开看开环的极点和零点分布比盲目调管子尺寸有效得多。5.2 GBW达标但增益不足60dB现象是GBW正常但直流增益只有50dB左右。原因通常是第一级或第二级输出阻抗不够。检查M4、M7的L是不是取小了。把负载管的L从1微米加到2微米ro从20千欧拉到40千欧以上增益通常能补回来。但要留意加大L会增大寄生电容可能反过来压低次极点。所以增益和带宽之间的平衡要靠反复迭代去找不能单边猛调。5.3 输出静态点偏到一边现象是Vout静态值不是0.9V而是0.7V或1.1V。原因多数是第二级电流不平衡M6的电流和M7的电流没有相等。调整尾电流分配或M7偏置电压让两边电流相等。注意电流镜的沟长调制在1.8V电源下会造成明显偏移。M7的漏源电压和参考支路不一样时即使宽长比按比例复制实际电流也会有偏差这是很多人忽略的点。5.4 输入失调电压偏大现象是接成单位增益时输入和输出之间存在几十毫伏的直流偏差。来源主要是M1和M2阈值失配以及M3和M4电流镜失配。仿真阶段可以用蒙特卡洛跑几百个样本看分布。设计上减小Vov、增大输入对管面积能有效改善匹配。不过这轮设计不是做精密仪表放大器几十毫伏量级的失调可以接受。如果对失调要求高就要考虑chopper或auto-zero那是另一个话题了。5.5 排查速查表现象可能原因检查动作相位裕度低、振铃Cc偏小/Rz过大/负载被低估扫描Cc与Rz核对CL增益不够60dB第一或第二级输出阻抗不足加长M4、M7的L输出静态点偏移第二级上下电流不平衡检查M6与M7电流匹配GBW偏低gm1不足或Cc偏大降低输入管Vov或减小Cc快角下振荡相位裕度余量不够增加第二级电流抬高次极点这五类问题基本覆盖了单端两级运放调试的绝大部分场景。我每轮设计都会把调试记录存下来下次遇到相似现象可以快速定位。最后再分享一点个人经验5T-OTA加CS这种结构小信号公式看起来简单但真正把它做到所有工艺角下都稳定难点全在电流分配、补偿取值和尺寸裕量上。我建议新手动手之前先把gm、GBW、相位裕度三个量的关系列出来再决定每个管子的电流和尺寸而不是先画完图再调参。仿真时也永远别只看典型角工艺角扫描和蒙特卡洛才是检验设计牢固程度的标准。这个简单两级架构我现在每次拿到运放任务都还会先回顾一遍因为它是所有复杂结构做对比时最可靠的基准线。
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