鼎芯评述：180nm CMOS高速运放新方案 —— 增益、压摆率、稳定性三者如何平衡

高速运算放大器是模拟前端、高速采集、激光雷达、通信中频链路的核心器件。长期以来，高速运放设计始终绕不开一组经典矛盾：想要更高直流增益，往往要增加级数、牺牲带宽与稳定性；想要更高压摆率，通常意味着静态电流飙升、功耗失控；而传统密勒补偿带来的右半平面零点，又持续困扰硬件工程师的稳定性调试。IEICE ELEX 在 2025 年 5 月刊发的这篇 180nm CMOS 运放研究，给出了一套工程上可落地的折中思路，值得国产模拟芯片从业者参考。

图 1：拟议运算放大器示意图

1 传统两级运放的固有短板

两级结构是商用电压反馈高速运放的主流架构，对比单级折叠共源共栅，两级结构更容易获得高直流增益；对比三级及以上架构，频率补偿难度更低。但经典密勒补偿的缺陷非常明确：补偿电容引入右半平面零点，相位裕度被吃掉，很多工程师在调试时，只能加大补偿电容，代价就是带宽被压缩、建立时间拉长。 同时，普通两级运放的压摆率由偏置电流与补偿电容决定，大信号阶跃输入时，充放电电流受限，压摆率上不去，高速脉冲信号、高速 DAC 输出缓冲场景很容易出现明显压摆失真。 过去不少方案单独优化增益或者单独优化压摆率，但很少把增益提升、压摆率增强、新型补偿三者整合到同一套两级架构中，容易出现 “单项指标好看，综合适配性差” 的问题。

图 2：运放小信号等效模型

2 这套方案的核心创新点：三个模块解耦优化

该方案的核心思路，是把增益、压摆率、稳定性三个性能维度交给独立子电路处理，避免指标互相捆绑制约。 第一，采用 Ahuja 补偿替代密勒补偿。它消除了密勒补偿带来的右半平面零点，在同等相位裕度下，补偿电容可以做更小，芯片面积缩减，同时单位增益带宽得到提升。这一点对高速小信号放大、跨阻放大（TIA）场景很友好，也是近些年不少学术论文开始重新关注 Ahuja 补偿的原因。 第二，嵌入增益提升辅助运放。增益提升技术不是新技术，但这篇文章的优势在于辅助运放带宽做了约束，辅助环路极点落在主运放主极点与 GBW 之间，抬升 17.2 dB 直流增益的同时，不会破坏主环路稳定性。对于需要同时兼顾高增益和高速的采集链路，这个设计思路很有参考价值。 第三，分离式压摆率增强电路，分别优化上升、下降沿。很多压摆率增强电路是对称设计，上下沿提升幅度一致；该方案针对正负跳变设计独立支路，静态时支路关断，几乎不增加静态功耗；只有在大信号瞬态跳变瞬间才开启、注入额外充放电电流，实现 403/386 V/μs 的压摆率，静态电流仅 3.1 mA。

图 3：压摆率增强子电路原理图

3 实测指标解读：优势与取舍都很清晰

我们把指标放到商用高速运放的坐标系里看：TSMC 0.18 μm、5 V 供电，跟随模式带宽 > 300 MHz，增益 + 10 时带宽 40 MHz，压摆率突破 400 V/μs，相位裕度 62°，属于兼顾速度与稳定性的区间。 同时文章也坦诚披露了取舍：为了保证输出驱动能力，电源抑制比 PSRR 指标有所让步。这是模拟芯片永恒的权衡 —— 驱动能力、噪声、电源抑制、功耗无法同时拉满。 从硬件工程师选型角度看，这个运放更适合信号源阻抗稳定、电源经过良好 LC 滤波的高速缓冲、DAC 输出驱动、脉冲信号放大场景；不推荐直接用在电源噪声恶劣、对 PSRR 要求严苛的精密低速采集通道。

4 对国产高速运放产业化的启示

国内模拟芯片厂商在高速运放赛道，长期面临的痛点不只是带宽，还有综合稳定性、压摆率一致性、PVT 鲁棒性。很多流片成果仿真指标亮眼，但在不同工艺角、温度、负载下相位裕度崩塌、压摆率波动巨大。 这篇论文的价值，不在于它突破了 GHz 级带宽，而在于它提供了一套可复用的模块化设计范式：补偿网络、增益提升、压摆率增强三个模块可以独立调试、单独优化，降低后端迭代难度。对于国内团队基于 180nm、130nm 成熟 CMOS 工艺开发高速运放，是性价比很高的参考路线。 当然也要客观看到局限：该设计是学术流片验证，没有做可靠性、ESD、长期老化测试，距离量产商用芯片还有一段距离；另外它是电压反馈架构，和电流反馈运放（CFA）相比，高增益下带宽依然会随增益提升而下降，这是 VFA 架构本身的边界。

5 落地选型建议

✅ 适合场景：高速 DAC 缓冲、脉冲信号调理、中速雷达模拟前端、光电信号放大、开关电容滤波器；

❌ 不推荐场景：超高电源噪声环境、需要极高 PSRR 的精密仪表、需要恒定带宽（增益变化带宽不变）的宽带放大（这类场景优先电流反馈运放）。

随着国产 ADC、高速 DAC、激光雷达接收前端放量，配套高速运放的需求会持续增长。在成熟工艺上把增益、压摆率、稳定性做均衡，是比盲目追求极致带宽更务实的产业化路线。这类模块化增强架构，后续也可以迁移到低压 1.8 V、3.3 V 工艺，适配新一代低功耗高速系统。