襯底驅(qū)動軌至軌運算放大器設(shè)計

　　（1）如圖1所示，M17、M18為輸出晶體管，M15、M16、M17、M21以及M13、M14、M18、M22分別構(gòu)成兩個線性回路，控制輸出晶體管電流。M7、M8、M9、M10均采用襯底驅(qū)動MOSFET以滿足低電源電壓需要。M21、M22為浮動的AB類控制電路，被嵌入共源共柵求和電路，其偏置由共源共柵結(jié)構(gòu)提供，以減小傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中偏置電流源引入的噪聲和失調(diào)。

　　（2）前饋AB類輸出級可以獲得較高的最大電流與靜態(tài)電流比，提高電源功耗的利用率。若將M17和M18的柵極分別偏置在接近VDD-Vth和VSS+Vth時，電壓的輸出動態(tài)范圍可以達到VSS+Vdsat～VDD-Vdsat。這樣，M17和M18的靜態(tài)電流很小，會降低輸出級的速度。因此，應(yīng)綜合考慮最大輸出電流、靜態(tài)功耗、頻響性能和電路面積之間的折衷。在此電路中，采用M21和M22作為固定輸出管柵極間電壓的電路，比采用電阻更節(jié)省電路面積，同時，具有降低該柵間電壓對工藝、電源的敏感性等優(yōu)點。

　?。?）在共源共柵結(jié)構(gòu)的另一條支路加入具有與AB類控制電路相同結(jié)構(gòu)的浮動電流源M19、M20，它通過共源共柵電流鏡可為AB類控制電路提供穩(wěn)定的偏置，以減小共模輸入電壓變化對AB類輸出級的影響。

　　本文設(shè)計的運算放大器MOS管尺寸如表1所示。

表1 襯底軌至軌運算放大器MOS管尺寸

仿真結(jié)果#e#2 仿真結(jié)果

　　基于PTM 0.18 μm CMOS工藝的BSIM3模型，采用Hspice對襯底驅(qū)動軌至軌運放的特性進行仿真。冗余差分輸入信號取0.4 V。圖2為輸入共模電壓范圍曲線，轉(zhuǎn)移曲線斜率約為1的線性部分即為輸入共模電壓范圍。從圖2可測出共模輸入電壓范圍為-0.36 V～0.39 V，達到了軌至軌輸入。

圖2 輸入共模電壓范圍曲線

　　將該運算放大器接成閉環(huán)形式，反向增益為10，測量其輸出電壓范圍，所得輸出電壓擺幅曲線如圖3所示。從圖中可以看到，輸出電壓擺幅約為-0.39 V～0.395 V時，基本達到軌至軌輸出。至此，運算放大器已達到了軌至軌輸入和軌至軌輸出的設(shè)計要求。

圖3 輸出電壓擺幅曲線