低電壓、恒定增益、Rail-to-RailCMOS運算放大器設(shè)計

本文設(shè)計了一種低電壓、恒定增益、Rail-to-Rail的CMOS運算放大器,整個電路采用標(biāo)準(zhǔn)的0.6um CMOS工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,并經(jīng)過HSPICE工具仿真,在3V的單電源工作電壓情況下,靜態(tài)功耗約為9.1mW,當(dāng)電路同時驅(qū)動20pF電容和500Ω電阻的負(fù)載時,電路的直流增益達(dá)到62dB,單位增益帶寬達(dá)到18MHz,相位裕度為50o。

關(guān)鍵詞：模擬集成電路;CMOS;運算放大器

引言

隨著信息技術(shù)和微電子制作工藝技術(shù)的高速發(fā)展,器件的特征尺寸越來越小,由此構(gòu)成的集成電路的電源電壓也越來越低。1997年,半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會曾對未來十年CMOS電路的電源電壓發(fā)展趨勢作了預(yù)測,如圖1所示。預(yù)計未來十年集成電路的電源電壓將降至1.5V,甚至更低。

形成這種發(fā)展趨勢的原因很多。其中主要有以下三方面原因：1、隨著集成制作工藝的發(fā)展,器件的特征尺寸將逐漸減小,相同工作電壓下小尺寸器件所承受的電場將逐漸增高,器件工作的安全性要求迫使工作電壓必須相應(yīng)降低,而電路集成規(guī)?；蚣擅芏戎鸩皆龃蟮氖聦?導(dǎo)致大功耗、大發(fā)熱量的芯片出現(xiàn),同樣要求采用降低電源電壓來降低功耗。2、便攜式電子裝置的迅速發(fā)展及其呈現(xiàn)出的廣闊市場,可植入人體的微功耗醫(yī)療電子部件的廣泛應(yīng)用等市場需求是對低電壓電路的有力牽引。3、全球興起的綠色環(huán)保——低能耗要求亦是發(fā)展低電壓電路的重要動力。

雖然數(shù)字化處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中,然而電子設(shè)備的原始信號均來自現(xiàn)實世界,如電磁記錄、揚聲器、麥克風(fēng)、CCD、LCD、無線調(diào)制器和解調(diào)器等,它們所產(chǎn)生的信號都為模擬信號,這些信號實現(xiàn)數(shù)字處理前必然要先經(jīng)過模擬信號處理（比如放大、A/D轉(zhuǎn)換等）,同時數(shù)字化處理后的信號作用于現(xiàn)實世界時仍需還原為模擬信號（比如D/A轉(zhuǎn)換、功率放大等）。因而即使在數(shù)字技術(shù)十分成熟的今天,模擬信號處理技術(shù)仍是無法回避,不能忽視的。而從集成技術(shù)的角度來看,單片數(shù)字系統(tǒng)集成制作的困難已成為過去,集成能力的進(jìn)一步提高,提出了完整的電子系統(tǒng)集成,即包含數(shù)、模混合信號處理的片上系統(tǒng)（SoC）的要求。CMOS已是當(dāng)今高密度集成的主流工藝,因此,低電壓CMOS模擬電路的設(shè)計研究已成為完整意義上的SoC的關(guān)鍵技術(shù)。

運算放大器是模擬集成電路中的一個重要模塊,隨著電源電壓的降低,傳統(tǒng)的運算放大器結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足設(shè)計指標(biāo)的要求,近十年來,各種新結(jié)構(gòu)的低電壓運算放大器已經(jīng)大量涌現(xiàn)出來。

本文設(shè)計了一種低電壓、恒定增益、Rail-to-Rail的CMOS運算放大器結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有以下特點：1)具有Rail-to-Rail的輸入和輸出;2)在整個共模輸入范圍內(nèi)具有恒定的增益; 3)具有驅(qū)動低阻抗的能力; 4）具有較大的增益帶寬乘積等等。

運算放大器的輸入級

低電壓Rail-to-Rail運算放大器的設(shè)計難點集中在輸入級部分,因為輸出級可以采用簡單的AB類輸出級來完成。

為了得到Rail-to-Rail的共模輸入電壓范圍,可以采用互補(bǔ)輸入級的結(jié)構(gòu),如圖2所示。NMOS輸入對在高的共模輸入電壓范圍內(nèi)導(dǎo)通,即

Vin,cm>Vss+Vgs,n+Vds,n (1)

而PMOS輸入對在低的共模輸入電壓范圍內(nèi)導(dǎo)通,即

Vin,cm>Vdd-Vgs,p-Vds,p (2)

從（1）（2）式中可以明顯的看出,當(dāng)共模輸入電壓范圍處于中間值時,NMOS和PMOS輸入對將同時導(dǎo)通,這也就意味著這個區(qū)間的輸入級電流將增大一倍,根據(jù)下式:

其中K=μpCox(W/L)p=μnCox(W/L)n

所以互補(bǔ)輸入級的跨導(dǎo)也將增大一倍,進(jìn)而導(dǎo)致運算放大器的增益在整個共模輸入電壓范圍內(nèi)不是恒定的,如圖3曲線1所示。

本文設(shè)計了一種具有恒定跨導(dǎo)的互補(bǔ)輸入級結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)思路簡單并且有效地解決了上述互補(bǔ)輸入級跨導(dǎo)變化的問題,如圖4所示。

從上面的分析得知,為了使圖2所示的輸入級結(jié)構(gòu)在整個共模電壓范圍內(nèi)保持跨導(dǎo)一致,那么對應(yīng)于高和低的共模輸入電壓范圍內(nèi)的跨導(dǎo)就必須增大一倍,又根據(jù)式(3),電流IDSQ與Gm呈平方根的關(guān)系,所以相應(yīng)的尾電流就必須再增加三倍,圖4結(jié)構(gòu)正是基于這個原理之上的。

M1、M2和M3、M4分別組成PMOS、NMOS輸入對,Iref1=Iref2=Iref提供相同的尾電流,M7、M8和M9、M10分別組成兩個1：3的電流鏡,M11、M12是兩個電流開關(guān)管,偏置電壓Vb1=Vb2=1.3V。因此,在共模輸入電壓從Vss到Vss+1.2V時,PMOS對M1、M2導(dǎo)通（M3、M4截止）,同時M12導(dǎo)通（M11截止）,Iref2通過M12到達(dá)1：3的電流鏡M7、M8,M8的電流加上Iref1的尾電流,正好使電流增大到四倍,也即跨導(dǎo)增大到兩倍;在共模輸入電壓從Vdd-1.2V到Vdd時,M3、M4導(dǎo)通（M1、M2截止）,Iref1通過M11到達(dá)1：3的電流鏡M9、M10,M10的電流加上Iref2的尾電流,也正好使電流增大到四倍,即跨導(dǎo)也增大到兩倍;在共模輸入電壓從Vss+1.4V到Vdd-1.4V時,PMOS對和NMOS對同時導(dǎo)通,而電流開關(guān)管M11、M12截止,每個輸入對的電流都等于Iref。

圖3曲線2所示為上述互補(bǔ)輸入級結(jié)構(gòu)中共模電壓與跨導(dǎo)的關(guān)系,從圖中可以看出跨導(dǎo)在整個共模輸入電壓范圍內(nèi)基本保持不變,只是在兩個過渡區(qū)有大約15%的浮動,這是由于NMOS管和PMOS管不完全匹配造成的。

運算放大器電路整體結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

運算放大器電路整體結(jié)構(gòu)如圖5所示,它由上面討論過的輸入級、中間的求和電路以及輸出驅(qū)動器組成,其中輸出驅(qū)動器由一個交叉級和一個輸出級組成。 整個電路采用標(biāo)準(zhǔn)的0.6um CMOS工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,并經(jīng)過HSPICE工具仿真,得到如圖6、圖7所示的頻率響應(yīng)曲線。

整個電路在3V的單電源下工作,靜態(tài)功耗約為9.1mW,。當(dāng)電路同時驅(qū)動20pF電容和500Ω電阻的負(fù)載時,電路的直流增益達(dá)到62dB,單位增益帶寬達(dá)到18MHz,相位裕度為50o。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種低電壓、恒定增益、Rail-to-Rail的CMOS運算放大器,輸入級采用互補(bǔ)差分輸入級結(jié)構(gòu),通過電流開關(guān)控制原理使放大器在整個共模輸入電壓范圍內(nèi)保持恒定的增益,輸出級采用帶有彌勒補(bǔ)償?shù)幕パa(bǔ)共源輸出結(jié)構(gòu),得到Rail-to-Rail的對稱輸出擺幅。電路基于0.6um標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,并經(jīng)過HSPICE工具仿真,得到了很好的性能。