具有恒定跨導(dǎo)的railtorailcmos運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)指導(dǎo)

1、具有恒定跨導(dǎo)的 Rail-to-Rail CMOS運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)指導(dǎo)陳斯（ 徐州師范大學(xué)物理系電子科學(xué)教研室 ）注：文章中有專門(mén)多關(guān)于 M0方面的基礎(chǔ)知識(shí)，可能關(guān)于你們來(lái)講比較陌生，能夠去找一些關(guān)于這方面的書(shū)籍看看。下學(xué)期我會(huì)給你們做專門(mén) 的講解的。你們先作個(gè)大概的了解，并確定具體的方向。1引言近年來(lái)，隨著集成電路工藝尺寸的不斷減小，低電壓的進(jìn)展趨勢(shì)越 來(lái)越快。下圖為半導(dǎo)體工藝與電源電壓的關(guān)系。從圖中能夠看出，電壓 隨著工藝最小尺寸的減小而不斷降低 。電壓減小的緣故是因?yàn)槌叽绲臏p 小導(dǎo)致了器件的擊穿電壓的減小 。此外數(shù)字電路的功耗正比于電源電壓 的平方，因此，為了減小功耗必須降低電源的電壓。然

2、而從模擬電路設(shè)MOS計(jì)者來(lái)看，電源電壓的減小會(huì)導(dǎo)致模擬信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的減小。假如管的域值電壓隨著電源的降低而等比減小的話，動(dòng)態(tài)范圍就可不能受到嚴(yán)峻的阻礙。但由于數(shù)字邏輯的緣故，域值電壓不能大幅地減小，因此低電壓會(huì)對(duì)電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的阻礙。Feamre Size *<=OME 一 qp -IQsod2 一般原理在模擬電路和數(shù)?；旌想娐分?，關(guān)于低電壓的追求逐漸成為集成電 路的一種時(shí)尚。然而低電壓導(dǎo)致了運(yùn)算放大器輸入共榜樣圍的降低，傳 統(tǒng)的PMO或NMO差分對(duì)輸入已不能滿足大的輸入共榜樣圍的要求。為解決這一瓶頸，rail-to-rail運(yùn)算放大器隨之而產(chǎn)生。通常的Rail-to-Rail運(yùn)放采

3、納兩級(jí)結(jié)構(gòu)，運(yùn)放的輸出級(jí)能夠采納簡(jiǎn)單的class-A或class-AB來(lái)實(shí)現(xiàn)，難點(diǎn)在于輸入級(jí)的設(shè)計(jì)。輸入級(jí)一般采納 PMO和 NMO并聯(lián)的互補(bǔ)差分結(jié)構(gòu)，但其跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)變化兩倍。這種跨導(dǎo)的變化不僅阻礙環(huán)路的增益，也會(huì)阻礙運(yùn)放的頻率補(bǔ)償。同時(shí)，由于輸入信號(hào)是rail-to-rail，具有專門(mén)高的信噪比，因此要求整個(gè)rail-to-rail運(yùn)放的輸入級(jí)保持恒定的跨導(dǎo)(gm)。一般來(lái)講，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)都采納差分放大器的輸入模式。在 CMO工藝中，差分放大器能夠通過(guò)PMO或NMO的差分對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1, 這是一個(gè)采納NMO差分對(duì)作為輸入級(jí)的電路。從圖中能夠得到，NMOS差分對(duì)的共模輸入

4、范圍為VSSVCMVdsatVgsn(1)式中Msn分不為NMO的柵源電壓，Vdsat為電流源的漏源飽和電壓。Vin+圖1 NMO差分對(duì)共模輸入范圍簡(jiǎn)單的差分對(duì)不能滿足rail-to-rail 共模輸入的需求，解決這一問(wèn) 題的最簡(jiǎn)單的方法是同時(shí)使用 NMO和PMO差分對(duì)即互補(bǔ)差分對(duì)，如圖2 所示。低共模輸入時(shí)，PMO差分對(duì)工作在飽和區(qū)，NMO截止；高共模輸入時(shí)，NMO差分對(duì)工作在飽和區(qū)，PMO截止。從圖2易知，NMO差分輸 入對(duì)M1 M2勺輸入能夠達(dá)到正電源電壓； PMO差分輸入對(duì)M3 M科達(dá)到負(fù)電源電壓。輸入級(jí)所需最小電源電壓為VsupVsgpVgsn2VdsatVdsat為電流源的漏源飽和

5、電式中Vsgp> Vjsn分不為PMOS NMO勺柵源電壓，壓。當(dāng)電源電壓大于或等于 Vsup時(shí)，互補(bǔ)差分對(duì)輸入級(jí)能夠正常工作， 其共模輸入范圍為乂sW Vcm< Vdd。因此，這種互補(bǔ)差分對(duì)輸入級(jí)能夠滿足rail-to-rail 共模輸入范圍圖2 PMOS/NMOS補(bǔ)差分對(duì)共模輸入范圍但不幸的是，這種典型的 PMOS/NMO互補(bǔ)差分對(duì)有一個(gè)致命的缺陷：在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)，輸入電路的總跨導(dǎo)不恒定。圖2中，在輸入共模電壓為低電平常，PMOSI分對(duì)處于工作狀態(tài)，NMO差分對(duì)截止； 輸入共模電壓為高電平常， NMO差分對(duì)處于工作狀態(tài)，PMOS差分對(duì)截 止。而輸入共模電壓在中間值時(shí)，兩對(duì)

6、差分對(duì)同時(shí)工作，跨導(dǎo)是其它部 分的2倍，如圖3所示。跨導(dǎo)的變化會(huì)引起信號(hào)的失真并給環(huán)路的增益 以及運(yùn)放的頻率補(bǔ)償帶來(lái)專門(mén)大的阻礙。因此要求輸入級(jí)的跨導(dǎo)在整個(gè) 共模輸入范圍內(nèi)保持恒定。上圖是NMO差分對(duì)的跨導(dǎo)與輸入共模電壓的關(guān)系 ，下圖是PMO差分對(duì) 的跨導(dǎo)與輸入共模電壓的關(guān)系。把上面的兩個(gè)圖疊加在一起就得到圖 3，能夠明顯地看到，在兩對(duì) MOS管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，其總跨導(dǎo)是其它部分的2倍。gmT gmn和gmp之和gmP差分對(duì)工作 丨J* d : N差分對(duì) P和N差對(duì)工作同時(shí)工作 VssVi,cm輸入共模電壓圖3互補(bǔ)差分對(duì)跨導(dǎo)與輸入共模電壓的關(guān)系3跨導(dǎo)恒定技術(shù)首先，我們要給出一個(gè)電路的總跨導(dǎo)gm,n

7、p的表達(dá)式。設(shè)圖2中的所有MOS管工作在飽和區(qū)，那么電路的總跨導(dǎo)為分析上面的跨導(dǎo)表達(dá)式，我們能夠得出使跨導(dǎo)恒定的一些方法。先來(lái)看表達(dá)式（5），顯然我們能夠通過(guò)操縱尾電流源In和Ip或者它們的比例來(lái)使跨導(dǎo)恒定。再分析式（6），我們能夠通過(guò)操縱 NMO硏口 PMOS 的有效電壓以取得總跨導(dǎo)的恒定。3.1采納1:3電流鏡方法分析式（5），假如我們使=K那么式（5）就變?yōu)橐虼耍瑸榱耸筭m,np恒定，我們只要使.I n I p恒定即可。來(lái)看看下面類似的分析：那個(gè)例子是利用恒定尾電流源來(lái)實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)的恒定的。具體是采納1： 3電流鏡的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的Incrfcasiiift K MR jisiiig Piii

8、iUkU uput 懷飭取駕 Turti-oiL voltage for the n-channel input:omi - VDSN5()+ VGSNYTum-on voltage for the p-channel input:= DD - Vp5(sat) - VsGPThe sini(.4屮 equals lhe inininnimpower supply.Regions of operation：dd> 巧如 > %p； (n-channel on and p-chaniiel off)gJn(eq) =gmNJJwp m 三(n-channel on and p-cha

9、nnel on|Vmin > ViCm > 0 : (n<hannel off and p-chan 口亡 1 on)where g川(亡q) is the equi alent input transconduccance of the above input stnge,如曲 is the input traiisconductance lor ihe n-cliannel input ami g出戶 is the input lruiiscon<lucl- ance for the p-channcl . . ,|TiMpi戌魯豊Rv.gntP-n-chLiiin

10、cl oil!n-chiimncl on ,ti ! n-chiincl on ip-channel onp-chunnel <*np-channel offv v it FJflDD' SDP5( iUt l+CSNJ 旳巾F埠.7 .M0sat Hh Vt?5MIncrease the bias current in the differen(- ial ampEfier that is on when the other differeniial amplifier is oft.Three regions of opcrutiun depending on the val

11、ue of 血川：IVicm < Vo/jtj： ii-ch;innel diff. amp,off and p-channel on with Ip = 4/)：月常(eff) =、J 環(huán)一2.) Vontt< Vm< Vonp： both on with At fp ft-J 平1/ !% J何聖廠MB2 o-4 -一|弘1_i 孫twto MBIVmMN I如+護(hù)晉妬血2旳二p-channel iliff, amp. off and n-chamiel on with ll = 4/Fiji. 7fiASet Vbi = Vonn and Vqi = Vonp,1 11

12、 1皿 V%# then ip= b ：Lnd 林4)(ilrN2【f v W哪 then ip = Q and 1曲瓦iS1 斤4VDD叫?暫-=_卩匚Cb_|畑J7OM：11 片諭 >Vom then 4r =仏如也 tpp=(i "' rcffl曲唸o = 0 aoid IppIbResult:S»<N=P7 lie ubove techniques und iiKiny shnilar ones are g(u>d k” 卩owe( supply vules down to about L5VP Below than, different te