高增益单级运放和增益自举电路设计
一、套筒式(telescopic)单级单端输出运放
figure 1 套筒式运放原理图
设计思路：
通过m9电流200ua，两条支路分别是100ua的电流。我们计算设计仿真的顺序是：m9-m7m8-m5m6-m1m2-m3m4。m9电流大，过驱动电压给大些，von9=300mv，i9=200ua，利用饱和区电流公式计算m9的w/l。偏置电压用von+vth算。m7m8的pmos管本应该给大von，但是其二极管连接，vds大，由于沟道调制效应，所以给小von=200mv，i=100ua，计算m7和m8的w/l。m5m6手工计算不准确，但还是得初步计算。i=100ua，pmos需给大von=300mv，算出宽长比。偏置电压vb1m1和m2，von=200mv，i=100ua，计算宽长比。偏置电压vcm=vds9+von1+vth1。此时的vth1和vds9都需要仿真后查看再调整输入共模电压。m3和m4与m1和m2宽长比计算一样。vb2= vds9+vds11+von3+vth3，同样需要仿真后回头调整。图2是手算的记录：
figure 2 telescopic手算
m5和m6最难调整，可以将其余的偏置电压确定后，用parametricanalysis扫描一下这两管子的宽，确定一个精确值。在tsmc180nm工艺下，我的电路的参数如下：
vcc3v(w/l)912u/1u
vcm 1.2v (w/l)7,8 60u/1u
vb1 1.3v (w/l)5,6 27u/1u
vb2 1.6v (w/l)3,4 13u/1u
vb3 775mv (w/l)1,2 13u/1u
cl 3pf
dc仿真结果如下：
ac仿真结果如下，低频增益78db。
二、折叠共源共栅单级单端输出运放
figure 3 折叠共源共栅运放电路原理图
设计步骤与telescopic差不多，主要就是每个偏置电压需要多次仿真调节，m5和m6的宽长比很敏感，需要parametricanalysis扫描一下。图4是手算记录：
figure 4 折叠共源共栅运放参数手算
在tsmc180nm工艺下，电路参数如下表：
vcc3v(w/l)912u/1u
vcm 1.5v (w/l)7,8 60u/1u
vb1 1.3v (w/l)5,6 29u/1u
vb2 1.1v (w/l)3,4 14u/1u
vb3 775mv (w/l)1,2 12u/1u
vb4 2.2v (w/l)9,10 70u/1u
cl 1pf (w/l)11 54u/1u
dc直流仿真结果如下图：
ac仿真结果如下图，低频增益69db：
三、增益自举(gain booster)
增益自举原理如下图：
将折叠共源共栅运放改进成下面的电路，并给出仿真直流参数：
上面的电路的m5宽长比调节至关重要，要使其vds恰好给m6提供偏置电压，而m6所需偏压和前述折叠共源共栅的m5和m6一模一样。在tsmc180nm工艺下，该电路参数如下表：
vcc3v(w/l)912u/1u
vcm 1.5v (w/l)7,8 60u/1u
vb1 1.3v (w/l)5 72u/1u
(w/l)6 29u/1u
vb2 1.1v (w/l)3,4,12 14u/1u
vb3 775mv (w/l)1,2=2(w/l)13 12u/1u
vb4 2.2v (w/l)9,10 70u/1u
cl 1pf (w/l)11 54u/1u
ac仿真结果如下图，低频增益69db（不知为何增益没有提高，但是gbw增大了一倍，猜测是引入了零点）：
四、总结
不管是折叠共源共栅还是套筒式，电流源负载管m5和m6的偏置电压和宽长比总是最敏感的，需要多次仿真调整。
对于增益自举电路的加入，没能提升共源共栅运放的增益这点有待深入学习。
给过驱动电压von一般：nmos小些，pmos大些，二极管连接的pmos小些。
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figure 2 telescopic手算
m5和m6最难调整，可以将其余的偏置电压确定后，用parametricanalysis扫描一下这两管子的宽，确定一个精确值。在tsmc180nm工艺下，我的电路的参数如下：
vcc3v(w/l)912u/1u
vcm 1.2v (w/l)7,8 60u/1u
vb1 1.3v (w/l)5,6 27u/1u
vb2 1.6v (w/l)3,4 13u/1u
vb3 775mv (w/l)1,2 13u/1u
cl 3pf
dc仿真结果如下：
ac仿真结果如下，低频增益78db。
二、折叠共源共栅单级单端输出运放
figure 3 折叠共源共栅运放电路原理图
设计步骤与telescopic差不多，主要就是每个偏置电压需要多次仿真调节，m5和m6的宽长比很敏感，需要parametricanalysis扫描一下。图4是手算记录：
figure 4 折叠共源共栅运放参数手算
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vcc3v(w/l)912u/1u
vcm 1.5v (w/l)7,8 60u/1u
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vb4 2.2v (w/l)9,10 70u/1u
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ac仿真结果如下图，低频增益69db：
三、增益自举(gain booster)
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上面的电路的m5宽长比调节至关重要，要使其vds恰好给m6提供偏置电压，而m6所需偏压和前述折叠共源共栅的m5和m6一模一样。在tsmc180nm工艺下，该电路参数如下表：
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(w/l)6 29u/1u
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