Opamp与Gm-Block与CMOS反相器设计选择

运放（Opamp）、跨导模块（Gm-Block）和 CMOS 反相器（Inverter）是模拟放大器三大基本构建块。随着工艺缩放，CMOS 反相器逐渐在高频应用中取代传统运放和 Gm 模块。Willy Sansen 在 AACD 2015 系统比较了这三者的优劣势及适用场景。

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三种放大器对比

特性	Opamp	Gm-Block	CMOS Inverter
增益	高（> 60dB）	中（30–50dB）	低（20–30dB）
线性度	最高（深度负反馈）	中（需内部反馈）	低（开环）
带宽	受限（Miller 补偿）	高（可调谐）	最高（最小寄生）
功耗效率	低	中	最高
弱反型偏置	常用（低噪声）	常用	必须（低电压）

FOM 比较

• 单管 FOM：$\text{FOM}=\frac{\text{GBW}\cdot C_L}{I_{\text{DD}}}$ (MHz·pF/mA)
  • 弱反型：~4500
  • IC=10（中等反型）：~1500
  • 强反型：~500
• 差分对 FOM：约为单管的 50%
• Miller OTA FOM：进一步受限于补偿电容

工艺缩放趋势

• 小沟道长度 → 弱反型区域扩展 → 逆变器噪声效率提升
• Gm-Block 可调谐特性适合高频滤波器
• Opamp 在精密低频领域仍不可替代

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新型混合方案

1. Ring Amplifier（环形放大器）：基于 CMOS 反相器链的动态偏置放大器
2. VCO-based ADC：反相器延迟链作为量化器
3. Inverter-based OTA：用反相器代替差分输入对

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来源

• Makinwa 2016 AACD Efficient Sensor Interfaces 深度解析 — Ch07: Opamps, Gm-Blocks or Inverters? (Sansen)