具有恒定跨導(dǎo)的railtorailcmos運算放大器設(shè)計指導(dǎo)

1、具有恒定跨導(dǎo)的 Rail-to-Rail CMOS運算放大器設(shè)計指導(dǎo)陳斯（ 徐州師范大學(xué)物理系電子科學(xué)教研室 ）注：文章中有專門多關(guān)于 M0方面的基礎(chǔ)知識，可能關(guān)于你們來講比較陌生，能夠去找一些關(guān)于這方面的書籍看看。下學(xué)期我會給你們做專門 的講解的。你們先作個大概的了解，并確定具體的方向。1引言近年來，隨著集成電路工藝尺寸的不斷減小，低電壓的進展趨勢越 來越快。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為尺寸的減 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計者來看，電源電壓的減小會導(dǎo)致模擬信號動態(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，因此低電壓會對電路的設(shè)計帶來一定的阻礙。Feamre Size *<=OME 一 qp -IQsod2 一般原理在模擬電路和數(shù)?；旌想娐分校P(guān)于低電壓的追求逐漸成為集成電 路的一種時尚。然而低電壓導(dǎo)致了運算放大器輸入共榜樣圍的降低，傳 統(tǒng)的PMO或NMO差分對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運算放大器隨之而產(chǎn)生。通常的Rail-to-Rail運放采

3、納兩級結(jié)構(gòu)，運放的輸出級能夠采納簡單的class-A或class-AB來實現(xiàn)，難點在于輸入級的設(shè)計。輸入級一般采納 PMO和 NMO并聯(lián)的互補差分結(jié)構(gòu)，但其跨導(dǎo)在整個共模輸入范圍內(nèi)變化兩倍。這種跨導(dǎo)的變化不僅阻礙環(huán)路的增益，也會阻礙運放的頻率補償。同時，由于輸入信號是rail-to-rail，具有專門高的信噪比，因此要求整個rail-to-rail運放的輸入級保持恒定的跨導(dǎo)(gm)。一般來講，運算放大器的輸入級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PMO或NMO的差分對來實現(xiàn)。如圖1, 這是一個采納NMO差分對作為輸入級的電路。從圖中能夠得到，NMOS差分對的共模輸入

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差分對共模輸入范圍簡單的差分對不能滿足rail-to-rail 共模輸入的需求，解決這一問 題的最簡單的方法是同時使用 NMO和PMO差分對即互補差分對，如圖2 所示。低共模輸入時，PMO差分對工作在飽和區(qū)，NMO截止；高共模輸入時，NMO差分對工作在飽和區(qū)，PMO截止。從圖2易知，NMO差分輸 入對M1 M2勺輸入能夠達到正電源電壓； PMO差分輸入對M3 M科達到負(fù)電源電壓。輸入級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，互補差分對輸入級能夠正常工作， 其共模輸入范圍為乂sW Vcm< Vdd。因此，這種互補差分對輸入級能夠滿足rail-to-rail 共模輸入范圍圖2 PMOS/NMOS補差分對共模輸入范圍但不幸的是，這種典型的 PMOS/NMO互補差分對有一個致命的缺陷：在整個共模輸入范圍內(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分對處于工作狀態(tài)，NMO差分對截止； 輸入共模電壓為高電平常， NMO差分對處于工作狀態(tài)，PMOS差分對截 止。而輸入共模電壓在中間值時，兩對

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

7、p的表達式。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)表達式，我們能夠得出使跨導(dǎo)恒定的一些方法。先來看表達式（5），顯然我們能夠通過操縱尾電流源In和Ip或者它們的比例來使跨導(dǎo)恒定。再分析式（6），我們能夠通過操縱 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。來看看下面類似的分析：那個例子是利用恒定尾電流源來實現(xiàn)跨導(dǎo)的恒定的。具體是采納1： 3電流鏡的方法來實現(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