伯克利-运放设计论文几篇

### 伯克利-运放设计论文之两阶段望远镜放大器 #### 概述 在本报告中，我们探讨了一种特定类型的运算放大器（简称运放）设计——两阶段望远镜放大器（Two-Stage Telescopic Amplifier）。这种结构的设计主要针对高动态范围的需求，具体为85dB的要求。为了满足这一挑战性的指标，我们对不同的拓扑进行了详细的分析和比较，并最终选择了最优方案。 #### 关键设计决策 在深入探讨设计细节之前，首先要确定最佳的拓扑结构来满足给定的技术规格。特别是，高动态范围的要求意味着我们的重点在于输出信号摆动范围和噪声控制。通过计算所需的稳定精度，我们可以得知需要在整个宽输出范围内实现大约100k的开环增益。这将有助于最大化信号功率并最小化静态误差。 为了获得如此高的增益，所选的拓扑结构必须具有大约(gm * ro)³的开环增益。因此，我们需要考虑几种可能的拓扑结构：望远镜折叠共源极、三共源极、单级增益增强以及双级设计等。下面将根据与我们的设计目标相关的折衷因素，对这些拓扑进行简要讨论。 #### 拓扑结构选择 ##### 三共源极拓扑 三共源极拓扑虽然具有极高的增益（约为(gm * ro)³），并且由于电流只流过一个分支，因此可以在一定程度上减少功耗。然而，这种拓扑的主要缺点是其差分摆动范围不足，仅为2VDD - 14Vdsat - 7Vmargin，其中Vmargin通常为100mV以确保饱和区有足够的余量。对于典型的Vdsat值200mV，最大差分电压摆动范围大约为2.5V。 ##### 单级增益增强望远镜运放 另一种备选方案是在望远镜运放的基础上增加单级增益增强结构。这种拓扑能够保持与三共源极拓扑类似的功耗水平，但得益于改进的电压摆动范围而表现出更好的性能。在这种配置下，我们仍然可以维持大约(gm * ro)³的电压增益，同时典型差分电压摆动范围为2VDD - 10Vdsat - 5Vmargin = 3.5V，导致幅值约为1.75V。尽管起初这个摆动范围可能不足以满足高动态范围的要求，但可以通过调整进一步提高信号摆动范围。 #### 差分噪声控制 为了最小化差分噪声，保持良好的匹配至关重要。此外，使用适当的偏置技术和电路布局策略也是关键。例如，采用高共模反馈技术可以帮助减小噪声，并提高整个系统的稳定性。 #### 高摆动范围偏置技术 为了满足85dB的高动态范围需求，需要一种能够在较宽范围内提供足够信号摆动的技术。一种可行的方法是使用高摆动范围偏置技术（High-Swing Biasing）。这种技术可以优化电路的线性度和效率，同时保持足够的信号摆动范围。 #### 结论 通过对不同拓扑结构的分析，可以看出，尽管三共源极拓扑提供了较高的增益和较低的功耗，但其摆动范围有限；相比之下，单级增益增强望远镜运放拓扑虽然功耗相似，但在摆动范围方面具有明显优势。因此，在综合考虑各种因素后，单级增益增强望远镜运放成为实现85dB高动态范围的最佳选择。此外，通过引入高摆动范围偏置技术和优化的共模反馈机制，可以进一步提高性能，确保达到设计目标。