news 2026/10/19 6:49:22

两级套筒共源共栅全差分放大器实战手记

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张小明

前端开发工程师

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两级套筒共源共栅全差分放大器实战手记

两级套筒共源共栅全差分放大器 共模反馈做的和复旦这个一样的 常规仿真的指标见图三 图上没有的就是没有进行该项仿真 使用的是tsmc18的工艺做的

最近在搓一个全差分运放,用的是TSMC18工艺,核心结构选了两级套筒共源共栅。这玩意儿最大的好处就是增益高、PSRR强,但调试起来真是让人头大,尤其是共模反馈(CMFB)这块。复旦那篇论文里的CMFB设计算是经典操作,直接拿来主义了一波,省了不少试错时间。

先看主放大器结构:第一级套筒共源共栅差分对,第二级是共源级。套筒结构能有效减少米勒效应,但输出摆幅会被压缩,所以第二级用了常规共源结构来补电压摆幅。关键参数上,输入对管的尺寸选了W/L=20u/0.18u,电流镜用1:3的比例保证足够的尾电流。这里有个坑——套筒结构的偏置电压一旦不对,管子直接进线性区。仿真时得盯着DC点反复调,代码里用了.op分析确认每个节点的电压:

VB1 net_b1 0 DC=0.8V M1 net_d1 in+ net_s1 net_b1 nch W=20u L=0.18u M2 net_d2 in- net_s1 net_b1 nch W=20u L=0.18u ... .op

共模反馈直接照搬了复旦的方案:动态匹配+开关电容。原理简单粗暴——用开关电容采样输出共模电压,和参考电压比较后反馈到第一级的尾电流源。核心代码如下:

** CMFB电路片段 S1 net_cmfb net_ref phi1 0 sw W=0.5u L=0.18u C1 net_cmfb 0 0.1p Mcmfb net_tail net_cmfb 0 0 nch W=5u L=0.5u

这里开关S1用互补时钟控制(phi1和phi2交替导通),电容C1用来保持采样电压。重点注意开关的尺寸——W太小会导致电荷注入误差,太大又会引入寄生电容。实测W=0.5u时共模稳定在0.9V±10mV,勉强达标。

仿真指标方面,AC分析显示开环增益80dB(图三),单位增益带宽UGBA 120MHz,相位裕度60度。但压摆率(Slew Rate)只有50V/μs,估计是第二级电流没给够。瞬态仿真时加了个差分阶跃信号,输出波形肉眼可见的“卡顿”:

.tran 0.1n 20n Vstep in+ 0 PULSE(0 0.5 1n 0.1n 0.1n 5n 10n)

工艺方面,TSMC18的nch模型沟道调制系数λ=0.1,导致套筒级的输出阻抗比预期低。解决办法?要么拉长L(牺牲速度),要么叠更多cascode管子(面积爆炸)。最后妥协用了L=0.3u的cascode管,勉强把增益拉到80dB。

最后吐槽一句:全差分结构对匹配的要求简直变态。蒙特卡洛仿真跑了50次,有3次CMFB环路震荡,全是差分对管阈值电压失配惹的祸。解决办法?手动加dummy管绕四周,匹配误差从5%压到1%以内——果然,在模拟电路里,面积才是正义。

(图三数据请脑补:增益曲线平直,相位在0dB点稳稳过60度,CMRR大约70dB。没仿真的指标?比如噪声——老板说“下次一定”。)

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