一種恒跨導(dǎo)CMOS運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種寬帶軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，此運(yùn)算放大器在3．3 V單電源下供電，采用電流鏡和尾電流開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)總跨導(dǎo)的恒定。為了能夠處理寬的電平范圍和得到足夠的放大倍數(shù)，采用用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)作為前級(jí)放大。輸出級(jí)采用AB類控制的軌對(duì)軌輸出。頻率補(bǔ)償采用了級(jí)聯(lián)密勒補(bǔ)償?shù)姆椒ā；赥SMC2．5μm CMOS工藝，電路采用HSpice仿真，該運(yùn)放可達(dá)到軌對(duì)軌的輸入／輸出電壓范圍。
關(guān)鍵詞：軌對(duì)軌；運(yùn)算放大器；電流開關(guān)；AB類輸出級(jí)

0 引言
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，混合信號(hào)集成電路得到了廣泛應(yīng)用。集成電路已發(fā)展到系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)階段。特別是隨著CMOS工藝的進(jìn)步，CMOS電路所具有的低成本、低功耗以及高速度等特點(diǎn)，使集成電路的應(yīng)用、理論和技術(shù)發(fā)生了深刻的變化。另外隨著CMOS模擬電路設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，CMOS技術(shù)不僅是實(shí)現(xiàn)SOC的最好選擇，而且是實(shí)現(xiàn)模擬集成電路的有效方法。近年來，基于CMOS技術(shù)的低壓、低功耗便攜式產(chǎn)品在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來越廣泛。在低電源電壓條件下，需要增大運(yùn)放輸入／輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌輸出，即供電電源電壓和地(或另一電源電壓)之間的輸入共模范圍和輸出擺幅。對(duì)于軌對(duì)軌運(yùn)放，輸入級(jí)中跨導(dǎo)會(huì)發(fā)生變化，這將會(huì)引起信號(hào)的失真、環(huán)路增益的變化等。所以，必須使輸入級(jí)跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)保持恒定。
本設(shè)計(jì)是采用電流鏡改變互補(bǔ)差分對(duì)尾電流來獲取恒定跨導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌。為了獲得較大的帶寬和增益，輸入級(jí)中采用了電流源控制，中間級(jí)的電流求和電路采用折疊式共源共柵電路，輸出級(jí)采用AB類控制電路，并且通過適當(dāng)選擇最佳的管長(zhǎng)比，減少了補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度。

1 輸入級(jí)原理與設(shè)計(jì)
軌對(duì)軌運(yùn)算放大器在整個(gè)共模范圍內(nèi)，輸入級(jí)的跨導(dǎo)基本保持恒定，這對(duì)低電壓應(yīng)用是至關(guān)重要的，其在低電源電壓和單電源電壓下可以有寬的輸入共模電壓范圍和輸出擺幅。軌對(duì)軌輸入／輸出功能擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，最大限度地提高了放大器的整體性能。
1．1 基本原理
一般情況下，運(yùn)放的輸入級(jí)都采用差分放大器，通過NMOS或PMOS的差分對(duì)可實(shí)現(xiàn)基本的差分輸入。然而這種單一的差分，并不能滿足軌對(duì)軌輸入的需求。
本文設(shè)計(jì)的輸入電路如圖1所示，輸入電路由一個(gè)PMOS輸入對(duì)和一個(gè)NMOS輸入對(duì)并連構(gòu)成。工作原理如下：

(1)若Vss≤Vcm≤VgsP+Vdsat，僅PMOS輸入對(duì)導(dǎo)通。其中，Vcm為共模輸入電壓，Vss為負(fù)電源，VgsP為PMOS管的柵源電壓，Vdsat為電流源兩端的電壓。
(2)若Vdd≤Vcm≤VgsN+VDSAT，僅NMOS輸入對(duì)導(dǎo)通。其中，Vdd為正電源，VgsN為NMOS管的柵源電壓。
(3)若Vcm處于以上兩種情況之外，PMOS，NMOS輸入對(duì)均導(dǎo)通。
由此可見，NMOS與PMOS差分對(duì)并連時(shí)，Vss≤Vcm≤Vdd。
對(duì)于該輸入級(jí)電路的跨導(dǎo)具體分析如下：

可知：若PMOS或NMOS輸入對(duì)分別單獨(dú)導(dǎo)通，其跨導(dǎo)均為：

式中：μP，μN分別為PMOS，NMOS載流子遷移率，Cox為單位面積的柵氧化層電容。所以，當(dāng)Vcm處于輸入差分對(duì)管不同的工作狀態(tài)時(shí)，跨導(dǎo)不恒定，即兩個(gè)MOS差分對(duì)管同時(shí)導(dǎo)通是二者分別單獨(dú)工作時(shí)的2倍。