一种适用于低压低功耗Sigma-Delta数据转换器的运算放大器

第7卷第3期 2008年6月 江南大学学报(自然科学版) JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition) V01．7No．3 Jun．2008 文章编号：1671—7147(2008)03—0276—05 一种适用于低压低功耗Sigma-Delta 数据转换器的运算放大器 龚菲， 吴晓波’ (浙江大学超大规模集成电路研究所，浙江杭州310027) 摘要：通过比较两种常用的运算放大器结构，提出了一种适用于低压低功耗Sigma．Delta数据转 换器的运算放大器结构，并在Chartered公司的0．35“m互补型金属氧化物半导体工艺下完成了该 放大器的设计．仿真结果表明，放大器的直流增益为77dB，单位增益带宽为36MHz，相位裕度为 48。，可满足低频高分辨率Sigma·Delta调制器的设计要求． 关键词：低压低功耗；sigma—delta调制器；运算放大器 中图分类号：TN432 文献标识码：A OperationalAmplifierAppliedtoLowPowerLowVoltage Sigma-DeltaDataConverter GONGFei．WUXiao-bo’ (InstituteofVLSIDesign，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China) Abstract：Bycomparingtwodifferentstructuresofoperationalamplifiers，anoveloperationalamplifier structurewasproposed，analyzedandappliedtolowpowerlowvoltagesigma—deltamodulation．The amplifierWaSdesignedinChartered0．35IxmCMOStechnology．Thesimulationresultsshowedthatwhen usingthestructure，theDCgainofamplifierachieves77dB．Theunity—gainbandwidthof36MHzand phasemarginof48 owerealsoattained．Theperformanceabtainedmeetstherequirementsofalow frequencyhighresolutionsigma-deltamodulator． Keywords：lowvoltagelowpower；sigma-deltamodulation；operationalamplifier Sigma．Delta模数和数模转换器具有低成本和高 分辨率的特点，在信号频率较低，但对精度要求高的 应用中有其独特的优势，因此，在高保真音频、语音处 理、测量和语音频带数据通信等场合获得了广泛的应 用．由于便携式设备在上述应用中的普及，其低压低 功耗设计同样受到高度关注．Sigma—Delta数据转换器 主要由模拟调制器和数字滤波器两部分构成．由于现 代深亚微米集成电路工艺主要是针对数字电路开发 的，因此转换器的数字模块设计具有较强的通用性． 而金属氧化物半导体晶体管(MOS管)线宽的减小， 收稿日期：2007一02—16；修订日期：2007—08—16． 基金项目：国家自然科学基金项目(90207001)；浙江省自然科学基金项目(Z104441)． 作者简介：龚菲(1983一)，女，湖南湘潭人，电路与系统专业硕士研究生． ·通讯联系人：吴晓波(1947一)，男，浙江奉化人，教授，博士生导师．主要从事模拟与数模混合集成电路以及SOC 的低功耗设计等研究．Email：uxb@vlsi．zju．edu．crl 万方数据 第3期 龚菲等：一种适用于低压低功耗Sigma．Delta数据转换器的运算放大器 277 器件特性的退化以及电源电压的降低，给模拟电路的 设计造成极大困难⋯．因此，在现代超大规模集成电 路设计中，模拟电路模块的成功设计成为设计中的关 键技术问题之一． Sigma-Delta数据转换器中的主要模拟部分是 调制器．而在调制器的设计中，运算放大器是其实 现的核心，极为重要，因为数据转换器对运算放大 器高速率、高精度、高线性度、低漂移的要求进一步 加大了运算放大器低压低功耗设计的难度∞J．文中 通过比较两种常用的运算放大器结构，提出了一种 适用于Sigma—Delta数据转换器的低压低功耗运算 放大器的结构，并在此基础上进一步完成设计，给 出最终仿真性能和实现结果． 1放大器结构选择 图l表示—个简单的Sigma-Delta调制器，它主要 由积分器和量化器组成．其中，积分器是Sigma—Delta 调制器中最主要的功耗产生单元，也是决定Sigma— Delta数据转换器性能的关键模块．因此，文中将主要 考虑积分器模块中运算放大器的选择．运算放大器几 个关键性能参数对积分器性能的影响见表1E3-4]． 图1一阶sigma-delta调制器示意图 Fig．1Diagramofoneordermodulator 表1运算放大器性能参数对调制性能的影响 Tab．1DependenceofmodulatorOnOpamp 参数 积分器误差(G。为积分增益) 幅度误差：m(如)=石1·(1+丁Ct)差分增益Avd相位误差：p@)=Gl·瓣1 ．。。。由 幅度误差：m(如)=一e-tl‘南增益带宽GB *^， 1 GB q” 其中：‘-2订卉‘万 转换速率sR 需要保证百A／)omal<丁T，否则误差较大 目前，Sigma—Delta数据转换器中常用的运算放 大器结构主要有两级运放和折叠共源共栅运放两 种，其电路结构分别如图2和图3所示．这两个电路 结构运算放大器的性能参数见表2‘5引． ‰ 图2两级结构 Fig．2TwostageOpamp ‰ ‰ q 图3折叠共源共栅运放结构 Fig．3Folded-cascodeOpamp 由表2可知，在同等电流条件下，两级结构运 算放大器的主极点较低，转换速率较慢，因此在积 分器电路设计中，为了达到调制器的过采样频率要 求，必须大大提高两级运算放大器的偏置电流J『。， 但这将会导致较大的功耗．反之，在对此性能要求 不高的量化器模块设计中，使用两级运放结构将更 有利于降低电路功耗． 与两级结构运算放大器相反，折叠共源共栅结 构运算放大器的次极点比较高，高频特性较好；同 时，对电源波动的抑制能力较两级运放结构好，由 电源噪声引入的误差较小．由于积分过程中采样积 分环节开关的频繁动作导致噪声干扰，故两级运放 结构不利于积分器结构的实现． 综上所述，虽然折叠共源共栅结构相对于两级 结构存在输出摆幅小和热噪声大的缺点，但由于在 Sigma—Delta数据转换器中应用的过采样和噪声整 型技术使得运算放大器的低频噪声可以在后续数 字电路模块中得到补偿；同时在与转换器性能密切 相关的运算放大器增益、转换速率、频率特性等方 面，折叠共源共栅结构都优于两级结构，所以折叠 共源共栅结构运放更适合于过采样调制器中积分 器结构的实现． 万方数据 278 江南大学学报(自然科学版) 第7卷 差分增益A叫 转换速率SR 单位增益频率∞。 最低非主极点OJ： 输入共模范围 输出摆幅 gml(r20r4)+gm(，6f|r7) Min(12／cc，216／(CL+Cc)) g。l／Cc gfll5／CL ‰一3I‰。。卜‰ ‰一2J‰咖I 热噪声 警．(1‰／gmJ) 最小电源电压 ‰+2Vvs．皿i。I 功耗估计 4‰，S 电源抑制比 一 g。l(r4r69耐JJr8rIog曲) 11／CL g。l／CL g，『15／CP ‰一3l‰⋯|_‰ ％一4I‰。J 巡．(1+鱼+堕) gmI gml gml ‰+2f‰。f 6‰，s 29。I(r4r69西0r8rIog曲) Ii／CL g。I／CL g。5／CP ％一31％。。l-％ 2‰一8l‰．血l 咝．(1+鱼+鱼) gmJ gmI gmI ％+2I‰。J 7‰，5 ．4- 2运算放大器设计 通过对两极结构和折叠共源共栅结构的比较， 可以得出折叠共源共栅结构运放更适合于过采样 调制器中积分器结构的实现．但是，考虑到全差分 结构运算放大器可以有效地消除共模噪声，弥补单 端输出折叠共源共栅运放的缺陷，可以更好地满足 Sigma—Delta调制器的要求"J．因此，在考虑积分器 中运算放大器的设计时，主要讨论全差分形式的折 叠共源共栅运放的设计和实现，并将全差分折叠共 源共栅运放的特性参数列入表2以便比较． 全差分折叠共源共栅运放的电路结构如图4 所示．其中：M．一M¨为电流折叠的共源共栅放大结 构，它由差分输入跨导级(M。，M：，M，)，电流级 (M。，M，，M。，M，)和共源共栅电流镜负载(M。，M，， M。。，M。。)组成．由于折叠共源共栅的电流镜负载采 用级联结构，大大增加了其输出电阻值，从而可以 获得较大的差分增益旧J． 吃 图4全差分折叠共源共栅运放电路结构 Fig．4Fullydifferentialfoldedcascadeoperationalamplifier 在运放结构设计中，偏置的设置十分重要，稍 有偏差即可对运放的性能产生重要影响，其要点是 保证MOS管工作在饱和区．图4左侧中M。：一M。，为 运放的偏置电路结构．该偏置电路的主要设计思想 是模拟主电路MOS管的实际工作环境，采用电流镜 的方式提供偏置，所有偏置均由最左边的电流源产 生．偏置产生处的MOS管与其将要提供偏置的 MOS管有相同的参数，由于采用二极管连接形式， 可以保证相应MOS管工作处于饱和状态． 一般共源共栅电路的偏置电路从稳定性和输 出摆幅考虑，对级联的两个MOS管分别采用一个电 流通路提供偏置，这一偏置策略势必增加电流支路 ‰+ 数，从而增加功耗．然而可以看到，实际设计中只要 仿照电路的工作环境，采用二极管连接方式和电流 镜提供偏置完全可以保证放大电路工作处于饱和 状态．电路的稳定性可由电流源的精度保证，无需 对级联的两个MOS管分别采用互不相交的电流通 路进行偏置．而若考虑输出摆幅，在Sigma．Delta数 据转换器中，运放所在的积分模块主要是对系统噪 声进行抑制，对摆幅的要求不大，加上全差分输出 也可以对单路输出摆幅进行一定的弥补．因此该电 路的偏置设计中将两个级联MOS管的偏置合并到 同一条电流通路产生，达到了节省两个电流通路的 目的，并减小了功耗． 万方数据 第3期 龚菲等：一种适用于低压低功耗Sigma—Delta数据转换器的运算放大器 279 由于是全差分输出运放，为控制输出共模电 压，必须增加一个共模反馈电路．共模反馈电压作 用于MOS管M。，M，的栅级，通过控制流过放大电 路的电流调整共模电压．全差分运放的共模反馈电 路可以采用开关电容电路和连续时间电路两种形 式．由于共模反馈结构对运放相关性能的影响不 大，而采用开关电容结构的共模反馈结构将增加额 外的时钟信号电路，时钟的转换将急剧增加电路噪 声，并且开关的频繁动作也是功耗的主要来源之 一，故摒弃开关模式，采用连续时间共模反馈电路 结构，该共模反馈结构如图5所示． ‰+ 图5共模反馈电路结构 Fig．5Commonfeedbackcircuit 由图5可知，共模反馈电路由两个差分放大结 构组成，即图中M2：，M∞，M24和M20，M2l，M笛两组 MOS管．这两组差分放大结构与主电路中的差分放 大部分的M。，M：，M，完全相同，因此M弘，M为可以 共用M，的偏置，从而节省了额外的偏置电路且减 少了所产生的功耗．与此相同，PMOS电流沉M拍， M打的参数设置也与主电路中M。，M，相同，从而保 证了共模反馈平均电压满足主电路的需要． 3仿真结果与讨论 文中仿真采用的器件模型是Chartered公司的 0．35¨m工艺模型，使用的仿真工具是Cadence公司 的Spectra工具．电路采用±1．5V的电源供电，偏置 电路中电流源为5肛A，各个器件的尺寸设计见表3． 表3图4和图5中MOS管的尺寸设计 Tab．3DimensionsofMOStransistorsinFig．4andFig．5 MOS管 (W／L)／(∥斗m) M3，M14，M15，M18，M19，M24，M25 Ml，M2，M∞，M2l，M22，M23 M。’M9，MIo，Mll 鸭，鸭，魄，鸭，M此，Mn，Mb，Mm^k，％ 10()／1．00 75／0．35 50／1．00 42／1．oo 运算放大器频率特性仿真结果如图6所示．由 图可知，运放在直流肘的增益为77dB，单位增益带 宽为36MHz，相位裕度为48。．对于工作在低频测 量场合，例如16位过采样率为512的Sigma—Delta 数据转换器，这一频率特性已经足以满足调制器的 设计要求．该运放的其他仿真参数列于表4中． ∞ 罩 涮 磐 ，_、 O 、_一 趔 靶 -。 ＼ 、＼ 。 ＼ ．、——、、、 2．1 000 f／k．Hz 图6频率特性仿真波形 Fig．6Simulatedwaveformsoffrequencycharacteristics 表4参数仿真结果 Tab．4Simulationresults 参数 数值 电源电压／V 电流／必 失调电．臣／mV 输出信号摆幅／V 直流输入幅／mY 开环增益／dB 3dB带宽／kHz 单位增益带宽／MHz 相位裕度／(。) SR+ 转换速彰(v／炉) sR一 平均 建立时间／r18 电路功耗／斗w 功耗延时积 4 结 语 文中针对低压低功耗Sigma—Delta调制器设计中 的积分器的设计，在讨论不同结构运算放大器对电路 影响基础上，提出一种全差分折叠共源共栅运算放大 器的结构设计．采用该放大器构成的积分器模块，结 合基于图2所示两级结构的迟滞比较器构成的量化 器模块，可构成单阶或多阶Sigma·Delta调制器．仿真 结果表明，该结构能够满足过采样Sigma—Delta调制 器设计要求，并达到较好的噪声抑制效果． 致谢： 文中工作过程中与美国模拟器件公司(AnalogDevices lnc．)的BillLiu等先生进行了有益的讨论，并得到美国模拟 器件公司的支持，谨此致以诚挚的感谢! ，5 7铋姗"加铂铝：：铋鲫姗螂协 万方数据 280 江南大学学报(自然科学版) 第7卷 参考文献(References)： [1]ShahriarRabii，BruceAWooley．TheDesignofLow—Voltage，Low-PowerSigma—DeltaModulators[M]．Boston：Kluwer AcademicPublishers，2002：1-4． [2]RichardSehreier，GaborCTemes．UnderstandingDeltaSigmaDataConverters[M]．Piscataway，NJ：AjohnWiley&Sons， 2005：417，435， [3]PhillipEAllen，DouglasHolberg．CMOSAnalogCircuitDesign[M]．2ed．Beijing：PublishingHouseofElectronicsIndustry， 2005：424—433． [4]MartinK，SedmA．EffectsoftheopampfinitegainandbandwidthOntheperformanceofswitched．capacitorfilters[J]． CircuitsandSystemsIEEETransactions，1981，28(8)：822-829． [5]杨胜君，程君侠．一种高性能Folded-Cascode运算放大器的设计[J]．半导体技术，2002，27(6)：33-37． YANGSheng-jun，CHENGJun—xia．Ahigh—performancefolded·cascodeoperationalamplifer[J]．SemiconductorTechnology， 2002，27(6)：33—37．(inChinese) [6]PaulRGray，MeyerRG．MOSoperationalamplifierdesign·aTutorialoverview[J]．IEEEJournalofSolid．StateCircuits， 1982，17(6)：969-982． [7]朱小珍，朱樟明，柴常春．一种高速CMOS全差分运算放大器[J]．半导体技术，2006，31(4)：287-289． ZHUXiao—zhen，ZHUZhang—ming，CHAIChang—chun．AhighspeedfullydifferentialCMOS叩一amp[J]．Semiconductor Technology，2006，31(4)：287-289．(inChinese) [8]毕查德·拉扎维．模拟CMOS集成电路设计[M]．陈贵灿，程军，张瑞智，译．西安：西安交通大学出版社，2003：40-160． (责任编辑：邢宝妹) 《江南大学学报(自然科学版)》 征稿、征订启事 《江南大学学报(自然科学版)》(双月刊)是由教育部主管、江南大学(国家“21l工程”重点建设高校) 主办的自然科学类学术期刊。本刊主要刊载通信与控制工程、信息工程、机械工程、产品系统设计理论、纺织 工程、应用化学、工程、土木工程、数理科学等学科的学术论文、，以及反映学科前沿研究动态的 高质量综述。 本刊优先刊登国家自然科学基金和省部级及其以上科研项目析出论文，同时发表与企业及生产实际密 切相关的应用性研究成果。热忱欢迎广大高校教学、科研人员及相关领域的专家、学者，在读硕士、博士研究 生赐稿。 本刊为A4开本，128页，每册订价8．00元；全年共6期，48．00元；本刊邮发代号：28—189，全国各地邮 局均可订阅，亦可向本刊编辑部直接订购。本刊可破季订阅。热忱欢迎广大读者订阅本刊。 邮编：214122 电子邮箱：xbzrkx@jiangnan．edu．cn 地址：江苏省无锡市蠡湖大道1800号 电话：0510—85913519 《江南大学学报(自然科学版)》编辑部 万方数据