运算放大器是模仿电路中最重要和最通用的单元电路之一，一起也是许多模仿体系和数／模混合信号体系中的一个完好模块。运放具有满意大的正向增益，当加负反馈时，闭环传输函数与运算放大器的增益简直无关。使用这个原理能够规划许多有用的模仿电路和体系。对运算放大器最主要的要求是有一个满意大的开环增益以契合负反馈的概念。模仿电路的速度和精度与运算放大器的功能有关，为了得到更快的速度和更高的精度，要求运算放大器具有更宽的单位增益带宽和更高的直流电压增益。
现在常见的几种放大器结构包含两级运算放大器、套筒式共源共栅放大器以及折叠共源共栅运放等。两级运放的输出摆幅在各种放大器结构中是最大的，但是其主要缺陷是频率特性差；套筒式运放在各种放大器结构中功耗最低、频率特性好、速度高和带广大，但该电路的信号共模输入规模和输出摆幅太小；折叠式共源共栅运算放大器具有增益带广大、低频增益高、摆幅大、速度高、频率特性好等许多长处，得到广泛应用。R Assaad等人提出的复用型折叠式共源共栅（Recycling Folded Cascode，RFC）结构比折叠共源共栅运算放大器具有更高的增益带宽、低频增益和摆率，一起并不添加功耗和规划面积。本文使用复用型折叠式共源共栅单级运放结构，在5 V电压下驱动5 pF负载电容，规划了一个单级运放。使增益带宽为52．79 MHz，低频开环增益为71．7 dB，相位裕度为60．45°，比较文献中的折叠式共源共栅运算放大器的增益带宽4．05 MHz，进步了约13倍；低频开环增益为43．5 dB，进步了28 dB；相位裕度为59°，而相位裕度在60°以上体系趋于安稳，所以该复用型折叠式共源共栅单级运放结构体系安稳性上也有必定改进。
1 电路剖析以及规划
1．1 折叠式共源共栅运算放大器电路剖析
文献中的折叠式共源共栅运算放大器的输入级均选用差分放大器的电路结构，选用输入管时，一般选用PMOS管，整个电路的结构如图1所示。
图1（a）为偏置电路，I1和I2是基准电流，偏置电路供给主电路中所用的一切偏置电压，在实践中为了满意匹配，偏置电路中管子长度应该与运放中相应的管子的长度持平。图1（b）为运放主结构，其间M0为折叠共源共栅运放的输入管供给偏置电流。M1，M2为PMOS差分输入管，M5，M6与M1，M2构成输入共源共栅管，M7，M8，M9，M10构成的共源共栅镜把双端输出转化成单端输出，并进步了输出阻抗，有益于进步增益。
1．2 RFC电路规划及剖析
新式的复用型折叠式共源共栅运算放大器是从文献中折叠式共源共栅运算放大器的基础上改进而来。如图2的复用型折叠式共源共栅运算放大器主电路中，文献中折叠式共源共栅运算放大器的M1，M2被分红M1a，M1b，M2a，M2b，流过每个管子的电流为IO／2。M3，M4被分红电流镜M3a，M3b和M4a，M4b，比率为3：1，这种电流镜的跨接确保了小信号电流来源于M5，M6的源端，M11，M12的输入电压巨细与M5，M6相同，规划管子宽长比尺度相同，M11，M12保持了M3a，M3b，M4a，M4b漏电势，协助改进它们之间的匹配性。
图2中左面部分为偏置电路，其间Vbp1为M0管供给偏置电流，Vbp2为M7，M8供给偏置电压。Vbn2为M5，M6，M11，M12供给偏置电压。I1，I2为外部引进的基准电流。在引进I2后，流过M1，M14，M15，M16的电流相同，依据电流公式，宽长比与Von（过驱动电压）成反比，调理宽长比使|Von|在120～400 mV之间，很简单就能得到Vbp1。核算Vbp1，Vbp2的办法相同。在电路进行DC仿真时，M1和M13作业在线性区。
为了证明复用型折叠式共源共栅运算放大器比较文献中折叠式共源共栅运算放大器具有的优越性，在剖析电路时，假定一切管子作业在饱满区，饱满区电流公式为：
首要剖析两种电路的低频增益，低频增益的公式为：Av=GmR0。在折叠式共源共栅运算放大器运放中：GMFC=gm1；复用型折叠式共源共栅运算放大器中：GMRFC=4gm1a，考虑到M1的尺度是M1a的2倍，由公式Gm=2I／（VGS-VTH）可知，gm1=2gm1a，在相同的输出电阻情况下，2倍的输入跨导，大约会给运放带来6 dB的增益进步。在两个运放的输出电阻剖析中，由运放主电路的右边电路的小信号模型有：
ROFC=gm6 rds6（rds2‖rds4）‖gm8 rds8 rds10 （2）
RORFC=gm6 rds6（rds2a‖rds4a）‖gm8 rds8 rds10 （3）
假定其他参数相同的条件下，由公式rds=1／（λID）可知，RORFC比RRFC大。因而，复用型比传统型折叠式共源共栅运放在低频增益上有8～10 dB的进步。
低频增益和带宽的乘积叫做增益带宽（GBW），现在它是放大器的品质因数，也是放大器的最重要的目标。在增益开端下降的那一点称为带宽BW或许-3 dB频率，它由输出电阻R与负载电容C的乘积所得的时间常数决议。在电路规划中，带宽公式为：
其间gm1=2gm1a，从公式能够看出GBWRFC比GBWFC要大许多。在规划复用型折叠式共源共栅运算放大器时，要使其安稳作业，其相位裕度（PM）要确保在60°以上。公式为：
式中：fp1为运放主极点；fp2运放非主极点；fz为运放零点。在复用型折叠式共源共栅运放中，主极点是由时间常数RORFC CL决议，非主极点由M5，M6源端寄生电容C2和该点的电阻R2的乘积决议。为了使运放的相位裕度保持在60°以上，有必要使得非主极点频率大于2．2倍增益带宽。在复用型折叠式共源共栅中，M5，M4源端的寄生电容为：
C2=CGS5+CSB5+CGD3a+CdB3a+CGD1a+CdB1a
在图3中，M1a的电流I1a与M5的电流I5都流过M3a，M3a有必要要有满意的栅宽以满意在比较小的驱动电压下能传导大电流，所以寄生电容CGD3a和CdB3a相当大。f2=1／（C2R2），C2大，f2就会变小。要使f2大于2．2倍增益带宽，有必要推高f2。用削减流入M3a和M4a的电流的办法就能够到达意图。由于电流减小，M3a和M4a的栅宽也相应减小，然后C2也减小，f2便增大。
2 电路仿真成果
图2中各个MOS管的参数如表1所示。
所规划的电路仿真用Cadence公司的模仿仿真东西Spectre，仿真模型用CSMC0．5 μm规范CMOS工艺模型。电路沟通仿真成果见图3。由图中增益曲线看出曲线在频率10 kHz处开端下降，所以带宽为10 kHz，增益为71．7 dB。频率大于10 kHz，其增益开端下降，下降到0 dB处的频率为增益带宽，值为52．79 MHz。由图中相位曲线看出，增益降为0 dB时，相位为-119．55°，相位裕度就为60．45°。所以电路增益带宽为52．79 MHz，低频增益为71．7 dB，相位裕度为60．45°。与文献中折叠式共源共栅运算放大器的增益带宽4．05 MHz，低频开环增益43．5 dB，相位裕度59°比较，其在增益，带宽和体系安稳性上都有很大进步。
3 结语
本文在文献中折叠共源共栅运放和复用型折叠共源共栅运放的剖析基础上，规划了一种高功能折叠共源共栅单级运放，具有高开环低频增益、高增益带宽。选用CSMC0．5μm规范CMOS工艺模型，Cadence公司的模仿仿真东西Spectre对电路进行直流和沟通仿真。成果表明：电路的增益带宽为52．79 MHz，低频开环增益为71．7 dB，相位裕度为60．45°，其各项目标与均有较大进步，规划令人满意。
