这篇记录一次低压套筒式共源共栅全差分 OTA 的设计过程。电路工作在 下，目标是开环差分小信号直流增益大于 ，单位增益带宽约 ，负载电容 。设计主线是：先用电压余量确定每层管子的偏置，再用 gm/Id 估算主放大器尺寸，最后加入 CMFB 并根据寄生电容迭代带宽。

套筒式共源共栅 OTA 原理图与最终尺寸

参考资料：

  • 王小桃，全差分单级运放设计：套筒式共源共栅结构 Cascode：知乎专栏
  • 王小桃，共模反馈 CMFB：知乎专栏
  • 孙楠、刘佳欣、揭路：《现代模拟集成电路设计》

拓扑与指标

主放大器采用 NMOS 输入差分对，PMOS 共源共栅有源负载，上下各堆叠多只 MOS 管以提高输出电阻和直流增益。由于是全差分输出，电路必须配套共模反馈 CMFB，否则 、 的平均值会由器件失配和电流误差漂移。

指标 目标 / 设计值
电源电压 1.1 V
单管预留 约 200 mV
开环增益
GBW 500 MHz
负载电容 1 pF

套筒结构的核心矛盾是增益和电压余量。堆叠管越多，输出电阻越高，增益越容易做上去；但在 1.1 V 电源下，每只管子的 都必须压得很紧，否则输入、输出或共模范围马上不够。

电压余量与偏置

手算中先取每只管子约 。若按 估计，则几组关键偏置可以从堆叠电压直接得到：

用来卡住输入管和 PMOS 共源共栅管之间的工作点。 过低时，输入对 会进入线性区； 过高时，上方 会进入线性区。笔记里采用的思路是令 与输入共模附近的内部节点相匹配，再通过仿真微调。

主放大器尺寸

开环增益可近似写成：

为了让增益超过 ，即电压增益超过 100，手算中取：

带宽由输入级跨导和负载电容主导：

代入 、：

输入对取 ，则：

查表后得到的第一轮尺寸大致如下，随后再根据 PVT、寄生和 CMFB 稳定性微调。

器件 作用 设计依据 初始尺寸量级
M1/M2 NMOS 输入对
M3/M4 PMOS 共源共栅管 保证 与电压余量
M5/M6/M7/M8 PMOS 电流源与上方堆叠 复制上支路电流并提高 见最终原理图
M9 NMOS 尾电流源

CMFB 设计

全差分 OTA 的差模环路只决定 ，并不决定输出共模：

因此需要 CMFB 把 拉回 。笔记中先分析了连续时间 CMFB 和开关电容 CMFB 的区别：CT-CMFB 连续工作，但会把检测网络的电阻、电容带入环路；SC-CMFB 适合离散时间系统，但需要时钟。

最初的电阻式检测可以近似得到：

但有限输出电阻会引入额外的 与 ，对应零点和极点：

为了避免检测网络显著污染主放大器节点，最终采用晶体管式 CMFB，通过 调整上方 PMOS 电流源。直观上，如果输出共模偏高，CMFB 会改变 ，让上支路电流减小或下拉电流相对增强，使输出共模回落；反之亦然。

寄生与环路迭代

主放大器的输出节点电阻很大， 和寄生电容会直接压低高频带宽。手算中曾按理想 推出 ，但加入器件寄生后，原始 GBW 约为 412 MHz，低于 500 MHz 目标。

笔记中用一个简单系数做迭代：

代入：

这意味着需要把相关跨导、电流和尺寸再往上推一轮，才能抵消寄生电容带来的带宽损失。这个步骤也说明：高速 OTA 的手算只能给出第一版，最终一定要靠含寄生的仿真闭环。

仿真结果

最终仿真指标如下：

Cascode OTA 仿真指标汇总

指标 仿真值
功耗 997.1 uW
GBW 525.2 MHz
开环增益 40.03 dB
PM 89.5 deg

输出范围仿真如下图。以约 的峰值增益为参考，下降到 的边界约在 ，因此可用输出摆幅约为 。

Cascode OTA 输出范围仿真

小结

这版套筒式共源共栅 OTA 的设计关键在三个地方：第一，低压下先分配 和偏置电压，确保每层管子仍在饱和区；第二，用 gm/Id 把 和增益要求转换成输入对电流与尺寸；第三，全差分输出必须认真做 CMFB，并把 CMFB 环路和主差模环路分开验证。

最终结果为 、、，基本达到 500 MHz / 40 dB 的设计目标。