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简介
本项目使用gm/ID方法实现了一个折叠式共源共栅全差分放大器，基于SMIC 130um工艺，具有15MHz的单位增益带宽，120dB开环电压增益。
全差分放大器电路图
全差分放大器核心电路
共模电压反馈电路
带有启动电路的偏置电路
系统设计
参数指标
单位增益带宽计算
为了尽量减小芯片面积，补偿电容的大小要尽量小。在本设计中，补偿电容选用MIM电容，最小的MIM电容是606.875fF, 版图面积为25umx25um. 为获得至少10MHz单位增益带宽，gm1应该不小于3.8 x 10^-5 S.
压摆率计算
上式既是压摆率的计算公式，根据补偿电容选用606.875fF，可以计算出M8的静态电流至少为1.5uA.
开环电压增益计算
本设计中，全差分放大器的增益由两级提供, 第一季级为折叠式共源共栅放大级，第二级为共源极。为了获得至少120dB开环电压增益，第一级应该至少提供80dB增益，第二级提供40dB增益。
功耗计算
整体电路由三部分组成，全差分放大部分, 共模反馈部分和偏置部分。指标要求最大功耗小于200uW，M8的漏极电流1要大于1.5uA，因此可以粗略估计整个电路各个支路的电流，如下所示：
整体电流为35uA@3.6V,总功耗为126uW。
输入输出共模电压范围计算
输入输出共模电压范围的计算公式如下所示， VTHN大约为700mV, M1, M3 and M4的过驱动电压大约100mV, 因而最小输入电压为1V。同时由于VTHN（阈值电压）通常大于过驱动电压，最大输入电压可以略微超过VCC。输出电压范围为VSS+Vov15到VCC+Vov13, 因此M15和M13的过驱动电压不能超过0.2V。
器件参数计算
根据前述分析，利用gm/ID方法可以计算出器件的参数，如下表所示:
仿真结果和分析
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直流工作点
整体电路的直流工作点如上表所示，仿真结果比计算值大约8%, 偏差产生的原因是沟道长度调制效应以及电阻取值存在偏差。实际器件功耗为138.6uW，仍旧满足要求。 -
开环电压增益
开环电压增益是使用以上电路测试的。
上图为全差分放大器开环电压增益的测试结果。开环电压增益为127dB，单位增益带宽为15.0284MHz。相位裕量为76deg，增益裕量为22.4dB. -
大信号阶跃响应
大信号阶跃响应可以用来测试全差分放大器的压摆率，测试电路如上图所示。全差分放大器接入反馈网络，增益为1，输入端接入大信号阶跃，观察输出端响应。下图是测试结果，压摆率为8.2V/us。由于ID8为2.7uA，补偿电容C1为606.875fF, 理论计算所得的压摆率为8.89V/us, 理论计算值与实际仿真结果温和地较好。
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输入共模电压范围
输入电压共模范围的测试方法如上图所示， V1, E1 和 E2构成差分电压源并输出1V差分电压。R1~R4为反馈网络，将增益设置为1, 当全差分放大器输入落在允许的共模电压范围内时，则输出电压应为1。根据虚短原理，VIN 和 VIP 有相同的电压，为0.5(V2 + V3). 因为V3固定为1.8V, 通过改变V2的电压并观察输出端电压变化就能够确定输入共模电压范围。下图是测试结果，从结果中看，当输入电压低至0.7V时，全差分放大器都可正常工作，但是这并非是实际的输入共模电压范围。当输入电压低到0.7V时，M3 and M4已经进入线性区。最小的输入电压应能确保M1, M2, M3 和 M4都工作在饱和区，约为0.9V所以实际的输入共模电压范围为0.9+VSS ~ VCC。
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输出共模电压范围
输出共模电压范围的测试电路如上图所示。V1从-3.6V变化到+3.6V, 则输出差分电压就是输出共模电压范围。输出共模电压范围由M13, M14, M15 和 M16的过驱动电压决定。 M13和M14的过驱动电压为119mV，M15 和 M16的过驱动电压为90mV。因而理论的输出共模电压范围为VCC-0.12 ~ VSS+0.09，仿真结果如下图所示，可以看到仿真结果与理论计算值吻合较好。
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共模抑制比与共模反馈稳定性
共模抑制比的测试方法如上图所示。同时其测试结果如下图所示：
设计经验
- 如何有效地验证启动电路的可靠性
启动电路的可靠性决定电路设计是否成功，如果启动电路不能在任何情况下都有效的启动电路，则意味着电路面临失效问题。在本项目的设计过程中，我发现即使不使用启动电路，对电路进行直流仿真仍然可以得到正确的结果，瞬态仿真也同样如此。我猜想由于在关断状态下，MOS仍存在很小的漏电流，此微弱的漏电流在正反馈的作用下会增加，最终导致电路稳定。为了改进这个问题，我提出了一种仿真方法，通过引入damping resistor人为在关键节点引入一定阻抗，使未启动状态下的启动电路正反馈增益小于1，这样微弱的漏电流不足以启动整个电路。经过我的反复验证，我发现这种方法能够有效验证启动电路的可靠性，能够检验启动电路设计是否合理。- 当没有启动电路时，为何偏置电路能够自启动？
我认为这是由于NMOS and PMOS的泄漏电流(关态电流)并不足够小, 在此电流下，环路增益大于1, 正反馈导致此电流增加, 于是偏置电路就能自启动了。然而，虽然仿真的确显示无需启动电路也能工作，但当芯片流片之后，由于各种因素存在，我们不能保证电路同样能正常工作，因而仍旧有必要加入启动电路，确保启动电路是可靠的。 - 如何解决上述问题?
我提出了一种方法，通过在电路中加入damping resistor，人为在关键节点引入一定阻抗，降低环路增益。damping resistor的引入并不会对电路的功能造成影响。通过增加damping resistors, 无启动电路的偏置电路无法自启动。但是这种方法不会影响电路的功能，同时也不会影响启动电路的性能，仅仅是能够测试启动电路是否可靠。 - 一个例子。
下图展示了一个能产生4种偏置电压的偏置电路，但是这个电路没有启动电路。首先我们进行直流仿真：
直流仿真结果如下图所示, 每个支路有2.72uA的电流, 这意味着这个本没有启动电路的偏置电路竟然自己启动了。
接着，对电路引入damping resistors，为的是让没有启动电路的偏置电路无法自己启动。damping resistor应该足够大，不会影响电路，通常10M的电阻就可以。 下图展示了damping resistor的添加(红色的电阻是damping resistor)。
然后，我们在加了damping resistor的电路上再次进行直流仿真，仿真结果如下图所示：
仿真结果显示每支路仅仅有20pA电流, 说明这个偏置电路没有启动，同时这意味着damping resistor的引入能够使没有启动电路的偏置电路无法自启动。 这样我们就可以用这个方法验证启动电路是否可靠。
下图所示电路为带有启动电路的偏置电路, 这个电路中引入了damping resistor。通过引入damping resistors, 仿真结果就能显示启动电路是否可靠。
当电源电压VDD为3.6V时, 仿真结果如下。 仿真结果显示VDD = 3.6V时，这个电路正常启动。
当电源电压VDD为2.0V时, 仿真结果如下。 仿真结果显示VDD = 2.0V，这个电路不能正常启动.
当VDD=2.0V时，如果我们把damping resistors去掉的话，仿真结果又如何？仿真结果（下图所示）显示同样的电路，当没有damping resistor的时候竟然可以启动，实际上，电源电压为2.0V时，这个电路应该是无法启动的。以上结果说明，damping resistor的引入能检测启动电路是否可靠。
- 当没有启动电路时，为何偏置电路能够自启动？