引言

　　電源電壓逐步下降,，晶體管的閾值電壓并沒有減小，但是運放的共模輸入范圍越來越小,，這使設計出符合低壓低功耗要求,，輸入動態(tài)幅度達到全擺幅的運放成為一種必須。本文所設計的具有軌至軌(R-R)輸入功能的低壓低功耗CMOS運算放大電路,，在各種共模輸入電平下有著幾乎恒定的跨導,，使頻率補償更容易實現(xiàn)，適合應用于VLSI庫單元及其相關技術領域,。 

         理論模型

         基本的軌至軌輸入結構

　　在較低的電源電壓下,，運算放大器的輸 入級設計是非常重要的。傳統(tǒng)的PMOS差動輸入級的共模輸入電壓范圍 VCM可表示為:

         (1)

　　 式中,，VSS為負電源電壓,，  VCM為共

模輸入電壓，VDsat為源漏飽和壓降,，VGSP為PMOS的柵源電壓,。同理，NMOS差動輸入級的共模輸入電壓范圍可表示為：

          (2)

　　 式中,，VGSN為NMOS的柵源電壓。如果將PMOS和NMOS差分對互補連接使用,，就可以使運放的輸入共模范圍變?yōu)椋?/p>

          (3)

          從而實現(xiàn)了軌至軌的共模輸入,。圖1為軌至軌輸入結構的電路示意圖。

         圖1  基本軌至軌輸入電路

圖2 低壓低功耗運算放大器電路

            跨導恒定結構

　　 圖1所示的軌至軌輸入級電路采用互補折疊式結構,，使共模輸入電壓可以在整個從地到電源電壓的范圍內(nèi)工作,，如果輸入級工作在飽和區(qū)，電路的跨導由下面的公式確定：

           或者

        (4)

　　  式中mn和mp分別代表NMOS和PMOS的遷移率,。從上面的公式可以看出,，輸入級的跨導會隨柵源電壓和便置電流的變化而變化。因此,，當共模輸入電平從VDD到VSS變 化時,，軌至軌輸入差分對的跨導從PMOS差分對的跨導變化到PMOS +NMOS差分對的跨導之和，再變化到NMOS差分對的跨導,。中間部分跨導gm幾乎是其它部分的一倍,，這種跨導的變化會使運放的增益誤差發(fā)生變化，從而使頻率特性變差,，因此,，需要設計一種電路,，使軌至軌輸入電路具有恒定的跨導。

　　 目前,，可保證R-R輸入級的gm恒定不變的設計方法主要有以下幾種：1. 采用雙極(BJT)線性互補差分對形式的輸入級,。 2. 由齊納二極管將P、N差分對的偏置電流連起來實現(xiàn),。 3. 采用冗余的差分對來實現(xiàn),。4. 用電流鏡技術，使偏置電流的大小隨輸入共模電壓的變化而變化,。

          上述第4種方法的電路不僅結構簡單,，而且對gm的控制也易于實現(xiàn)。因此,，本文運用了對輸入跨導的控制原理,，采用了一種 全新的保持R-R輸入級gm為常數(shù)的電路結構。 

           電路設計

　　 本文所設計的電路如圖2所示,，該電路由輸入互補差分對,、恒定gm電路、共源共柵求和電路組成,。M1~M4構成了輸入互補差分對,。當?shù)凸材］斎霑r，P輸入差分對M1,、M4處于工作狀態(tài),，N輸入差分對M2、M3截止,，開關管M17 ,、M18開啟，抽取M16上的電流,；M13,、M14截止。M15的電流全部流入P差分對,，則此區(qū)間的等效差分跨導為:

          (5)

　 　 當共模輸入電壓在中間值附近時,， P差分對M1、M4與N差分對M2,、M3均導通,，控制開關M17、M18,、M13,、M14開啟，分別調(diào)節(jié)它們的柵電壓,，使其從M15,、M16均抽取3/4的電流,，則此區(qū)間的等效差分跨導為:

             (6)

　　 當在高共模輸入?yún)^(qū)時，N差分對M2,、M3工作,，P差分對M1、M4截止,。開關管M13,、M14開啟，抽取M15上的電流,，開關管M17,、M18截止，M16的電流全部流入N差分對,，則此區(qū)間的等效差分跨導為:

              (7)

　　 從上面的分析可知,，只要合理選擇四個輸入管子的長寬比，滿足如下關系：

              (8)

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sp;        gm就會保持恒定,。

　　 M5~M12為共源共柵求和電路,。這種結構的輸出阻抗和電壓增益比較高，并且有很好的頻率特性和電源抑制比,。經(jīng)過分析可知,，該電路結構在互補差分對交替工作的時候，當M1,，M4與M2,、M3不能同時處于飽和狀態(tài)時，引起求和電路M5~M12的靜態(tài)電流發(fā)生變化,，使電路的輸出電阻和極點發(fā)生少許改變,，從而可能會在過渡區(qū)出現(xiàn)大跨導尖峰，但是,，由于這個過渡區(qū)很窄，估計這種大的尖峰不會出現(xiàn),，在整個共模范圍內(nèi),，輸入跨導基本保持恒定。

圖3 運放的跨導仿結果 

           仿真結果

　　 本文采用TSMC公司的0.35mm工藝器件的HSpice參數(shù)模型進行仿真,，得到下面的結果,。圖3是運放的總跨導，從圖中可以看出,，當共模輸入電壓從0V到2V變化時,，整個跨導在5%以內(nèi)變化，跨導在中部的變化正如上面所述,，是由于 差動對交替工作時,，靜態(tài)電流的變化所引起的,。 

           結語

　　　本文所設計的運算放大器具有2V的電源電壓，150mW的功耗和75°的相位裕度,，在整個共模范圍內(nèi),，輸入級的跨導基本保持恒定，提高了運放的性能指數(shù),。且結構簡單,，特別適合作為VLSI的庫單元