摘? 要： 設(shè)計(jì)了一種工作電壓為3.3V恒定跨導(dǎo)" title="跨導(dǎo)">跨導(dǎo)軌到軌" title="軌到軌">軌到軌CMOS運(yùn)算放大器,，針對(duì)軌到軌輸入級(jí)" title="輸入級(jí)">輸入級(jí)中存在的跨導(dǎo)不恒定問題，提出利用電流開關(guān)解決這一問題的方法,；輸出級(jí)采用前饋AB類控制的rail-to-rail輸出和級(jí)聯(lián)密勒補(bǔ)償，保證了該運(yùn)放有大的動(dòng)態(tài)輸出范圍和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力以及好的頻率特性。
關(guān)鍵詞： 軌到軌,；恒定跨導(dǎo)；電流開關(guān),；AB類輸出級(jí)
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隨著集成電路的快速發(fā)展,，低壓低功耗的便攜式產(chǎn)品越來越受到人們的歡迎。但由于晶體管的閾值電壓并不隨著特征尺寸的減小而線性減小,，所以在低電源電壓環(huán)境下,，CMOS運(yùn)算放大器的輸入輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大大減小[1]。為了增大運(yùn)放輸入輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,，最好能達(dá)到整個(gè)電源電壓范圍,，軌到軌運(yùn)放成為當(dāng)今設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。
軌到軌運(yùn)放中存在的主要問題是輸入級(jí)在整個(gè)共模" title="共模">共模輸入范圍內(nèi)不恒定,，這便使得單位增益帶寬發(fā)生很大的變化,，給頻率補(bǔ)償帶來很大困難。目前控制跨導(dǎo)恒定的方法很多：(1)使用齊納二極管使P,、N差分輸入對(duì)柵源電壓之和為常數(shù)[2],；(2)使尾電流的方根之和與n溝和p溝跨導(dǎo)成比例[3]；(3)利用偏置回路保持尾電流平方根之和的恒定[4-7],。第三種方法由于結(jié)構(gòu)簡單被普遍采用,，在文獻(xiàn)[5]、[6]中提出了用開關(guān)管控制輸入差分對(duì)" title="差分對(duì)">差分對(duì)尾電流的方法,，但這種方法沒有很好地控制尾電流與共模輸入同步變化,。本文提出了一種輸入級(jí)由新型開關(guān)管控制尾電流來恒定跨導(dǎo)、輸出級(jí)采用前饋AB類控制的放大器,。Hspice仿真結(jié)果表明,，輸入級(jí)跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)變化了約6%，不到文獻(xiàn)[5]中變化率15%的一半,。
1 Rail-to-Rail輸入級(jí)的設(shè)計(jì)
1.1 基本的Rail-to-rai差分對(duì)
基本的軌到軌輸入級(jí)結(jié)構(gòu)[2-7]如圖1所示,。
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根據(jù)輸入共模電壓的不同，該軌到軌輸入級(jí)工作在三個(gè)區(qū)域,。當(dāng)共模輸入電平接近VDD時(shí),，只有NMOS差分輸入對(duì)工作；當(dāng)輸入共模電平接近VSS時(shí),，只有PMOS 差分對(duì)工作,；當(dāng)共模輸入電平處于中間狀態(tài)時(shí),，PMOS和NMOS差分輸入對(duì)同時(shí)工作。
如果PMOS和NMOS差分對(duì)工作時(shí)都處于飽和狀態(tài),，則有：
只有PMOS差分對(duì)工作時(shí),，其跨導(dǎo)為：
式中：
μP為PMOS載流子遷移率；
??? Cox為單位面積的柵氧化層電容,。
??? 只有NMOS 差分對(duì)工作時(shí),，其跨導(dǎo)為：
??? 
式中：
????μN(yùn)為NMOS載流子遷移率。
????PMOS和NMOS同時(shí)工作時(shí),，跨導(dǎo)為：
??? 
????
??? 則從式(1),、(2)、(3),、(4)可以看出在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi),，輸入級(jí)的跨導(dǎo)變化了2倍，這使輸入級(jí)的單位增益帶寬發(fā)生很大變化,，頻率補(bǔ)償變得困難[5],，跨導(dǎo)恒定控制電路對(duì)輸入級(jí)來說成為必要。
1.2 恒定跨導(dǎo)輸入級(jí)
本文利用偏置回路來保持輸入差分對(duì)管平方根之和恒定,，基本思路是使式(1),、(2)中的電流Iref為式(3)中的4倍，因此引入了3倍電流鏡和電流開關(guān),，使共模輸入電平接近VSS或VDD時(shí),，3倍電流鏡工作。文獻(xiàn)[5],、[6]中也提出了類似的方法,，通過給開關(guān)管加固定偏壓來控制輸入差分對(duì)管尾電流的變化,。但存在一個(gè)問題,，如果偏壓選取的不合適，則尾電流的變化不能和輸入電壓同步變化,。本文提出了一種使輸入差分對(duì)管尾電流隨共模輸入電壓同步變化的方法,，所設(shè)計(jì)的恒定跨導(dǎo)輸入級(jí)如圖2所示。
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恒定跨導(dǎo)控制電路由兩對(duì)開關(guān)管和兩對(duì)三倍電流鏡構(gòu)成,。圖2中MN5,、MN6、MP5,、MP6構(gòu)成互補(bǔ)的輸入差分對(duì),，在設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)滿足式（4）,。MN11,、MN12和MP11,、MP12是兩對(duì)由共模輸入電壓控制的開關(guān)管，控制著PMOS和NMOS輸入差分對(duì)尾電流的變化,。當(dāng)共模輸入電平處于低電平時(shí),，PMOS輸入差分對(duì)MP5、MP6及開關(guān)管MP11,、MP12導(dǎo)通,，NMOS輸入差分對(duì)MN5、MN6及開關(guān)管MN11,、MN12截止,，尾電流被MP11、MP12經(jīng)MN7,、MN3引到MP8,、MP7 組成的三倍電流鏡，則PMOS差分對(duì)管的尾電流變?yōu)樵瓉淼?倍,；同理,，在輸入共模電平較高時(shí)，PMOS差分對(duì)管截止,，NMOS差分對(duì)導(dǎo)通,，其尾電流也變?yōu)樵瓉淼?倍；當(dāng)共模輸入電壓處于中間狀態(tài)時(shí),，PMOS和NMOS輸入差分對(duì)及兩對(duì)開關(guān)管都導(dǎo)通,，三倍電流鏡對(duì)PMOS和NMOS差分對(duì)不貢獻(xiàn)尾電流。這樣保證了輸入級(jí)跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)幾乎不變,。輸入級(jí)跨導(dǎo)仿真結(jié)果如圖3所示,。
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2 輸出級(jí)
輸出級(jí)的主要目的是將來自輸入級(jí)的信號(hào)有效地傳遞給負(fù)載，同時(shí)為了使運(yùn)算放大器在閉環(huán)情況下能穩(wěn)定工作,，進(jìn)行必要的頻率補(bǔ)償,。要達(dá)到軌到軌的輸出，最常用的輸出級(jí)電路是AB類輸出,。綜合參考文獻(xiàn)[5],、[7]、[8]中的方法,，本文所設(shè)計(jì)的輸出級(jí)電路如圖3所示,。
對(duì)該運(yùn)放的頻率補(bǔ)償，采用了級(jí)聯(lián)密勒補(bǔ)償方式[5],。其單位增益帶寬為：
式中,，gmi表示輸入級(jí)的跨導(dǎo)，CM1、CM2為密勒補(bǔ)償電容,。
可見,，由于輸入級(jí)跨導(dǎo)恒定，使頻率補(bǔ)償變得容易,。在進(jìn)行補(bǔ)償過程中,，可以根據(jù)所需單位增益帶寬和相位余量，使密勒補(bǔ)償電容盡量減小,，本文設(shè)計(jì)中所選密勒補(bǔ)償電容為0.6PF,，相位裕度為64°，單位增益帶寬為8.94MHz,，達(dá)到了比較好的補(bǔ)償效果,。
3 仿真結(jié)果與分析
3.1 輸入級(jí)跨導(dǎo)
圖4給出了共模輸入電壓直流掃描輸入級(jí)跨導(dǎo)的變化曲線?？梢钥闯?，曲線上有兩個(gè)跨導(dǎo)變化比較顯著的地方，這是因?yàn)楫?dāng)共模輸入電平處于中間狀態(tài)時(shí),，輸入差分對(duì)管存在由導(dǎo)通到弱導(dǎo)通,，由弱導(dǎo)通到導(dǎo)通的過渡態(tài)，導(dǎo)致跨導(dǎo)增大所致,。盡管跨導(dǎo)增大,，但圖中顯示跨導(dǎo)最大的變化僅僅為6%。
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3.2 放大器指標(biāo)
在0.6μm工藝下用HSPICE,，采用全典型模型,，在溫度為25℃、電源電壓為3.3V單電源供電,，負(fù)載電阻為10kΩ,、電容為10pF時(shí)對(duì)本文所設(shè)計(jì)放大器各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖5,、圖6及表1所示,。
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本文設(shè)計(jì)了一種軌到軌運(yùn)算放大器。并針對(duì)軌到軌輸入級(jí)中跨導(dǎo)不恒定的問題提出了一種利用電流開關(guān)來恒定跨導(dǎo)的方法,。仿真結(jié)果表明,，該運(yùn)算放大器基本達(dá)到了輸入輸出的軌到軌，輸入級(jí)的跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)僅變化了6%,，運(yùn)放各個(gè)指標(biāo)性能良好，適合于低壓低功耗的系統(tǒng),。
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