两级套筒共源共栅全差分放大器实战手记

两级套筒共源共栅全差分放大器 共模反馈做的和复旦这个一样的 常规仿真的指标见图三 图上没有的就是没有进行该项仿真 使用的是tsmc18的工艺做的

最近在搓一个全差分运放，用的是TSMC18工艺，核心结构选了两级套筒共源共栅。这玩意儿最大的好处就是增益高、PSRR强，但调试起来真是让人头大，尤其是共模反馈（CMFB）这块。复旦那篇论文里的CMFB设计算是经典操作，直接拿来主义了一波，省了不少试错时间。

先看主放大器结构：第一级套筒共源共栅差分对，第二级是共源级。套筒结构能有效减少米勒效应，但输出摆幅会被压缩，所以第二级用了常规共源结构来补电压摆幅。关键参数上，输入对管的尺寸选了W/L=20u/0.18u，电流镜用1:3的比例保证足够的尾电流。这里有个坑——套筒结构的偏置电压一旦不对，管子直接进线性区。仿真时得盯着DC点反复调，代码里用了.op分析确认每个节点的电压：

VB1 net_b1 0 DC=0.8V M1 net_d1 in+ net_s1 net_b1 nch W=20u L=0.18u M2 net_d2 in- net_s1 net_b1 nch W=20u L=0.18u ... .op

共模反馈直接照搬了复旦的方案：动态匹配+开关电容。原理简单粗暴——用开关电容采样输出共模电压，和参考电压比较后反馈到第一级的尾电流源。核心代码如下：

** CMFB电路片段 S1 net_cmfb net_ref phi1 0 sw W=0.5u L=0.18u C1 net_cmfb 0 0.1p Mcmfb net_tail net_cmfb 0 0 nch W=5u L=0.5u

这里开关S1用互补时钟控制（phi1和phi2交替导通），电容C1用来保持采样电压。重点注意开关的尺寸——W太小会导致电荷注入误差，太大又会引入寄生电容。实测W=0.5u时共模稳定在0.9V±10mV，勉强达标。

仿真指标方面，AC分析显示开环增益80dB（图三），单位增益带宽UGBA 120MHz，相位裕度60度。但压摆率（Slew Rate）只有50V/μs，估计是第二级电流没给够。瞬态仿真时加了个差分阶跃信号，输出波形肉眼可见的“卡顿”：

.tran 0.1n 20n Vstep in+ 0 PULSE(0 0.5 1n 0.1n 0.1n 5n 10n)

工艺方面，TSMC18的nch模型沟道调制系数λ=0.1，导致套筒级的输出阻抗比预期低。解决办法？要么拉长L（牺牲速度），要么叠更多cascode管子（面积爆炸）。最后妥协用了L=0.3u的cascode管，勉强把增益拉到80dB。

最后吐槽一句：全差分结构对匹配的要求简直变态。蒙特卡洛仿真跑了50次，有3次CMFB环路震荡，全是差分对管阈值电压失配惹的祸。解决办法？手动加dummy管绕四周，匹配误差从5%压到1%以内——果然，在模拟电路里，面积才是正义。

（图三数据请脑补：增益曲线平直，相位在0dB点稳稳过60度，CMRR大约70dB。没仿真的指标？比如噪声——老板说“下次一定”。）