低电压、恒定增益、Rail-to-RailCMOS运算放大器

低压、恒定增益、轨到轨CMOS运算放大器的设计本文设计了一种低压、恒定增益、轨到轨CMOS运算放大器。整个电路采用标准0.6um CMOS工艺参数设计，在3V单电源工作电压条件下，静态功耗约为9.1mW。当电路同时驱动一个20pF电容和500电阻的负载时，电路的DC增益达到62dB，单位增益带宽达到18MHz，相位裕度为50 O.关键词：模拟集成电路；CMOS运算放大器简介随着信息技术和微电子制造技术的飞速发展，器件的特征尺寸越来越小，集成电路的电源电压越来越低。1997年，半导体工业协会预测了未来十年CMOS电路电源电压的发展趋势，如图1所示。据预测，未来十年，集成电路的电源电压将下降到1.5V甚至更低。造成这种发展趋势的原因有很多。主要原因有三1、随着集成制造技术的发展，器件的特征尺寸将逐渐减小，小尺寸器件在相同工作电压下承受的电场将逐渐增大，器件工作的安全要求迫使工作电压相应降低，而电路集成的规模或密度逐渐增大，导致功耗和发热量大的芯片出现，这也要求降低电源电压以降低功耗。2、便携式电子设备的快速发展及其所呈现的广阔市场，以及可植入人体的微功耗医用电子元器件的广泛应用，是低压电路的强大牵引力。3、全球绿色环保——低能耗要求也是低压电路发展的重要推动力。虽然数字处理技术在电子设备中已经得到了广泛的应用，但是电子设备的原始信号都是来自现实世界，比如电磁录音、扬声器、麦克风、CCD、LCD、无线调制器、解调器等，它们产生的信号都是模拟信号。这些信号在进行数字处理之前必须经过模拟信号的处理(如放大和A/D转换)，而数字化后的信号作用于现实世界时仍然需要还原成模拟信号(如D/D转换)。因此，即使在数字技术成熟的今天，模拟信号处理技术仍然是不可回避和不可忽视的。从集成技术的角度来看，单片数字系统集成生产的困难已经成为过去。随着集成能力的进一步提高，需要完全的电子系统集成，即数模混合信号处理的片上系统(SoC)。CMOS已经成为高密度集成的主流技术，因此低压CMOS模拟电路的设计和研究已经成为完全意义上的SoC的关键技术。运算放大器是模拟集成电路中的重要模块。随着电源电压的降低，传统的运算放大器结构已经不能满足设计要求。近十年来，出现了大量各种新结构的低压运算放大器。本文设计了一种低电压、恒定增益、轨到轨CMOS运算放大器结构，具有以下特点：1)具有轨到轨输入输出；2)在整个共模输入范围内具有恒定的增益；3)驱动低阻抗的能力；4)具有较大的增益带宽积等。运算放大器的输入级低压轨到轨运算放大器的设计难点集中在输入级，因为输出级可以由一个简单的AB类输出级完成。为了获得轨到轨的共模输入电压范围，可以采用互补输入级结构，如图2所示。

NMOS输入对在高共模输入电压范围内开启，即vin、cmvsvgs、nvds、n (1)，而PMOS输入对在低共模输入电压范围内开启，即Vin、cmVdd-Vgs、p-Vds、p (2)。从公式(1)和(2)中可以清楚地看出，当共模输入电压范围在中间时，NMOS和PMOS输入对将同时导通，这意味着根据下面的公式，该区间中的输入级电流将加倍：其中K=pCox(W/L)p=nCox(W/L)n，互补输入级的跨导也将加倍，这将导致运算放大器的增益在整个共模输入电压范围内不恒定，如曲线所示本文设计了一种跨导恒定的互补输入级结构，结构简单，有效地解决了互补输入级跨导变化的问题，如图4所示。从上面的分析可知，为了使图2所示的输入级结构的跨导在整个共模电压范围内保持一致，高、低共模输入电压范围对应的跨导必须增加一倍，根据公式(3)，电流IDSQ与Gm的关系是平方根，因此对应的尾电流必须增加三倍，图4的结构就是基于这个原理。M1、M2和M3、M4分别形成PMOS和NMOS输入对，Iref1=Iref2=Iref提供相同的尾电流，而M7、M8和M9、M10分别形成两个1: 3电流镜，M19、m10。因此，当共模输入电压为Vss至Vss 1.2V时，PMOS对M1、M2导通(M3、M4关断)，而M12导通(M11关断)，Iref2通过M12到达电流镜M7、M8，1: 3的M8。M8的电流加上Iref1的尾电流刚好凑合。当共模输入电压为Vdd-1.2V至Vdd时，M3、M4导通(M1、M2关断)，Iref1到达1: 3电流镜M9、M10，M10至M11。M10的电流加上Iref2的尾电流也使电流增加了4倍，即跨导也增加了2倍。共模输入电压从Vss 1.4V到Vdd-1.4V时，PMOS对和NMOS对同时导通，而电流开关管M11、M12关断，各输入对的电流等于Iref。图3中的曲线2示出了上述互补输入级结构中共模电压和跨导之间的关系。从图中可以看出，跨导在整个共模输入电压范围内基本保持不变，但在两个过渡区有15%左右的浮动，这是由NMOS和PMOS晶体管的不完美匹配造成的。运算放大器电路的整体结构和仿真结果运算放大器电路的整体结构在图5中示出，其包括上述的输入级、中间求和电路和输出驱动器，其中输出驱动器包括交叉级和输出级。整个电路采用标准0.6um CMOS工艺参数设计，通过HSPICE工具仿真得到6、图7所示的频率响应曲线。整个电路工作在3V单电源下，静态功耗约为9.1mW，当电路同时驱动20pF电容和500电阻的负载时，电路的DC增益达到62dB，单位增益带宽达到18MHz，相位裕度为50 O.结论本文设计了一种低压、恒定增益、轨到轨CMOS运算放大器。输入级采用互补差分输入级结构，放大器通过电流开关控制原理在整个共模输入电压范围内保持恒定增益。输出级采用带迈特勒补偿的互补共源输出结构，获得了对称的轨到轨输出摆幅。该电路基于0.6um标准CMOS工艺参数设计，并利用HSPICE工具进行了仿真，获得了良好的性能。