一种新型高速CMOS全差分运算放大器设计

2．2 小信号分析
折叠式共源共栅的直流增益为：

2．3 频率与增益特性分析
单级折叠式共源共栅结构主要有2个极点需要考虑：
在输出节点处产生主极点：P1=-1／RoutCL；
在折叠点处产生非主极点：P1=-gm5／Cx。
式中Cx为折叠点周围电容和，且主要取决于CGS7。为使运放能够稳定工作，需对其进行频率补偿。对于单级运放，由于只有一个主极点，频率特性较好，在输出端增加一定的负载电容即可。
由于模拟电路的参数不缺定性，手算的结果在仿真调制时也需要进行适当的修改才能达到预期目标的要求。尾电流的M0以及M9，M10可根据MOS管饱和区电流公式来确定：即，

由式(1)可知，提高增益的方法主要为提高输入对管M1，M2共源共栅管M5，M6以及M7，M8的跨导。由于MOS管工作电流已经确定，则可通过增加宽长比增加其跨导。但要折衷考虑的是：过多的增加共源共栅管M5，M6的沟道长度会增大次主极点的寄生电容，从而降低次主极点的频率。所以提高增益的方法主要是增加PMOS管M7，M8的宽长比。而且，M3管与M4管均要流入2条支路的电流，若要减小其对折叠点的电容贡献，则要求有较高的过驱动电压。
2．4 直流工作点的确定
由于沟道长度调制作用的存在，MOS管的漏源电压VDS会对漏源电流IDS产生一定的影响。
有饱和区MOS管漏源电压与电流间的关系公式：

式中λ为沟道长度调制系数λ∝1／L。在近似漏源电流IDS及过驱动电压|VGS-Vth|不变的情况下，宽长比W／L与VDS成反比的趋势。可根据此规律调制每个MOS管的漏源电压及直流工作点。而进行调制的前提则是每个MOS管都必须工作在饱和区，即满足VDS>|VGS-Vth|。
2．5 提高转换速率
转换是在处理大信号的高速电路中不希望看到的一种非线性现象，大信号的速度被转换速率限制，原因是对电路中主要电容器充电和放电的电流太小。所以要提高转换速率。由式(2)可以看出，增大转换速率的一种方法为提升流过共源共栅管M5，M6的电流，同时减少输出端补偿电容的大小。而电流的增大势必会提高运放的功耗。而式(3)表明，增大输入管M1，M2的过驱动电压也可以提高转换速率。这样在电流一定的情况下，器件的宽长比W／L就不能太大，这也许会导致其跨导的减小，因此以上两种方法均需要折衷号虑。