应用于激光测距系统的高增益集成运放设计
应用于激光测距系统的高增益集成运放设计
作者:任远;王竹萍;宋子奇;张珂殊
设计依托的项目是激光测距系统,原理是通过测量激光器对被测目标发射和接收光信号的时间间隔,来计算目标距离。核心部分分为脉冲测距接收芯片,其功能是光电转换并将转换后的电信号送交信号处理系统,进行放大、时刻鉴别等处理,最后送交数字后端,完成计时和测距。运算放大电路是其中最为关键的部分,在很大程度上决定了整个激光测距系统的性能。
目前专用运算放大器大致分为低功耗、高速和高增益三个发展方向。结合项目背景,基于激光测距系统的运放属于在测量领域的应用,对运放精度要求较高。对运放而言,高精度意味着要有高的增益。随着CMOS工艺进入深亚微米和纳米阶段,晶体管沟道长度不断减小,使得器件的本增益受限,为运放增益的提高提出了难题。高增益运放方向,目前比较先进的基于0.18μm工艺,在单位增益带宽0.5MHz的情况下,将运放的直流增益做到130dB。文中针对此方向进行了研究,在传统提升增益技术的基础上,分析与优化其他参数,实现了应用于激光测距系统的高增益专用运算放大器的设计,并用计算机进行了仿真验证。
1、总体拓扑结构选择
根据项目需求,对运放提出了高增益的设计要求,坚固速度、稳定性等性能,提出带设计运算放大器的指标要求为:凯环直流增益大于10dB,单位增益带宽大于10MHz,相位裕度大于45°,功耗小于1mW。
资料调研结果显示,提升增益的技术主要有多级级联技术、共源共栅技术和增益增强技术。受限,多级级联技术通过多级放大来提高增益。其优点是输出百幅最大。缺点是具有双主极点,频率特性较差。其次,共源共栅技术通过增加输出电阻提高增益,优点是频率特性较好,无需补偿。它有包括套筒式与折叠式两种。套筒式的优点是只有两台哦电路支路,功耗最小,缺点是输入输出摆幅小,难以在低压电路及闭环中应用。而折叠式结构便面了这一缺点。增益增强技术类似共源共栅技术,也是通过提高输出电阻来提升增益,不同的是进一步引入负反馈,能够在不减小输出电压摆幅的情况下增加输出电阻。但其缺点是多了两个辅助放大器,使电路设计的复杂度及芯片面积增加。
综合考虑指标、设计复杂度和版图面积等因素,提出运放总体结构为折叠式与级联式结合。输入级采用折叠共源共栅结构,产生高增益。输出级采用共源结构,拓宽输出摆幅。此外,设计了辅助电路用于提供偏压和提高系统稳定性。
2、模块设计分析
输入级采用折叠共源共栅结构,输入跨导管M1、M2将输入电压转换为电流,通过M5、M6将电流折叠到负载上产生第一级输出电压。
输入管采用PMOS管,这是因为PMOS的闪烁噪声比NMOS小,在低频电路中噪声特性较好。采用M7-M10组成的电源共栅电流镜作为负载。由于共源共栅结构输出电阻很高,这种敷在能够在不在呢个价输入管跨导的情况下大大增加电路的直流增益。此外,电流镜结构姜茶动电流转换成单端电压输出,省去了公母反馈模块的设计。
可以通过增大输入管及共源共栅管的跨导来提高增益。而电流一定时,增大跨导意味着宽长比增大,这回带来等效电阻的减小,进而降低增益。解决的办法是保持大宽长比不变的情况下,等比例增大宽和长,但这又会造成版图面积的增大。故需要经过大量的仿真验证来寻找合适的折衷方案。
两级结构具有双主极点,徐金星频率补偿,提高稳定性。采用密勒补偿技术,原理是在主次极点间加入密勒电容,将两级点分裂,来提高相位幅度。该技术的应用会导致右半平面零点的出线,使幅频相应下降变缓,相位滞后加快,影响相位裕度。针对这一问题,文中在第二级输出与密勒电容之间插入了单位增益缓冲器来隔断两级放大期间的前馈电流,从而消除零点。
为保证放大电路的各晶体管正常工作,设计了偏置电路。偏置电路采用宽摆幅技术用以降低各MOS管消耗的电压裕度,从而提高信号摆幅,以适应低电压电路的应用需求,此外,共源共栅结构的应用可以抑制沟道长度调制效应导致的电流偏差,提高幅值精度。
3、仿真结构分析
采用Cadence软件Spectre工具,TSMC0.18μm工艺期间模型,1.8V电源供电,在5pF电容负载、27°、TT工艺角下,主要性能仿真结果计算得到各参数仿真结果为:直流增益130.4dB,单位增益带宽16.18MHz,相位裕度58.1°,功耗0.25mW,1kHz处的电源抑制比82.8dB、共模抑制比185.6dB,输入共模范围1.1V,输出电压范围1.75V。
稳重与其它拓扑结构的性能比较,可知,与其它文献相比,增益相近时,文中功耗及增益带宽积较优;功耗相近时,文中直流增益及增益带宽积较优。因此,文中在保证高增益的同时其它指标有较好的折衷。
4、结束语
设计了一种应用于激光测距系统的专用运算放大器。根据应用需求,在传统共源共栅结构与多级级联结构的基础上,提出共模共栅放大器与简单共源放大器级联的两级结构,获得高增益的同时,电压输出摆幅较大。采用TSMC0.18μm标准CMOS工艺器件模型,经计算机仿真结构表明,该放大器在开环下,直流增益达到130dB,相位裕度58°,功耗仅为0.25mW,满足系统高增益的应用需求,此外,其它各项指标均满足设计要求。
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