摘 要：设计了一种工作电压为3.3V恒定跨导" title="跨导">跨导轨到轨" title="轨到轨">轨到轨CMOS运算放大器，针对轨到轨输入级" title="输入级">输入级中存在的跨导不恒定问题，提出利用电流开关解决这一问题的方法；输出级采用前馈AB类控制的rail-to-rail输出和级联密勒补偿，保证了该运放有大的动态输出范围和较强的驱动负载能力以及好的频率特性。

关键词：轨到轨；恒定跨导；电流开关；AB类输出级

　　随着集成电路的快速发展，低压低功耗的便携式产品越来越受到人们的欢迎。但由于晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在低电源电压环境下，CMOS运算放大器的输入输出信号的动态范围大大减小^[1]。为了增大运放输入输出信号的动态范围，最好能达到整个电源电压范围，轨到轨运放成为当今设计的热点。

　　轨到轨运放中存在的主要问题是输入级在整个共模" title="共模">共模输入范围内不恒定，这便使得单位增益带宽发生很大的变化，给频率补偿带来很大困难。目前控制跨导恒定的方法很多：(1)使用齐纳二极管使P、N差分输入对栅源电压之和为常数^[2]；(2)使尾电流的方根之和与n沟和p沟跨导成比例^[3]；(3)利用偏置回路保持尾电流平方根之和的恒定^[4-7]。第三种方法由于结构简单被普遍采用，在文献[5]、[6]中提出了用开关管控制输入差分对" title="差分对">差分对尾电流的方法，但这种方法没有很好地控制尾电流与共模输入同步变化。本文提出了一种输入级由新型开关管控制尾电流来恒定跨导、输出级采用前馈AB类控制的放大器。Hspice仿真结果表明，输入级跨导在整个共模输入范围内变化了约6%，不到文献[5]中变化率15%的一半。

1 Rail-to-Rail输入级的设计

1.1 基本的Rail-to-rai差分对

　　基本的轨到轨输入级结构^[2-7]如图1所示。

　　根据输入共模电压的不同，该轨到轨输入级工作在三个区域。当共模输入电平接近VDD时，只有NMOS差分输入对工作；当输入共模电平接近VSS时，只有PMOS 差分对工作；当共模输入电平处于中间状态时，PMOS和NMOS差分输入对同时工作。

　　如果PMOS和NMOS差分对工作时都处于饱和状态，则有：

　　只有PMOS差分对工作时，其跨导为：

式中：

　　μP为PMOS载流子迁移率；

Cox为单位面积的栅氧化层电容。

只有NMOS 差分对工作时，其跨导为：

式中：

μN为NMOS载流子迁移率。

PMOS和NMOS同时工作时，跨导为：

则从式(1)、(2)、(3)、(4)可以看出在整个共模输入范围内，输入级的跨导变化了2倍，这使输入级的单位增益带宽发生很大变化，频率补偿变得困难^[5]，跨导恒定控制电路对输入级来说成为必要。

1.2 恒定跨导输入级

　　本文利用偏置回路来保持输入差分对管平方根之和恒定，基本思路是使式(1)、(2)中的电流I_ref为式(3)中的4倍，因此引入了3倍电流镜和电流开关，使共模输入电平接近V_SS或V_DD时，3倍电流镜工作。文献[5]、[6]中也提出了类似的方法，通过给开关管加固定偏压来控制输入差分对管尾电流的变化。但存在一个问题，如果偏压选取的不合适，则尾电流的变化不能和输入电压同步变化。本文提出了一种使输入差分对管尾电流随共模输入电压同步变化的方法，所设计的恒定跨导输入级如图2所示。

　　恒定跨导控制电路由两对开关管和两对三倍电流镜构成。图2中MN5、MN6、MP5、MP6构成互补的输入差分对，在设计时，参数满足式（4）。MN11、MN12和MP11、MP12是两对由共模输入电压控制的开关管，控制着PMOS和NMOS输入差分对尾电流的变化。当共模输入电平处于低电平时，PMOS输入差分对MP5、MP6及开关管MP11、MP12导通，NMOS输入差分对MN5、MN6及开关管MN11、MN12截止，尾电流被MP11、MP12经MN7、MN3引到MP8、MP7 组成的三倍电流镜，则PMOS差分对管的尾电流变为原来的4倍；同理，在输入共模电平较高时，PMOS差分对管截止，NMOS差分对导通，其尾电流也变为原来的4倍；当共模输入电压处于中间状态时，PMOS和NMOS输入差分对及两对开关管都导通，三倍电流镜对PMOS和NMOS差分对不贡献尾电流。这样保证了输入级跨导在整个共模输入范围内几乎不变。输入级跨导仿真结果如图3所示。

2 输出级

　　输出级的主要目的是将来自输入级的信号有效地传递给负载，同时为了使运算放大器在闭环情况下能稳定工作，进行必要的频率补偿。要达到轨到轨的输出，最常用的输出级电路是AB类输出。综合参考文献[5]、[7]、[8]中的方法，本文所设计的输出级电路如图3所示。

　　对该运放的频率补偿，采用了级联密勒补偿方式^[5]。其单位增益带宽为：

式中，g_mi表示输入级的跨导，C_M1、C_M2为密勒补偿电容。

　　可见，由于输入级跨导恒定，使频率补偿变得容易。在进行补偿过程中，可以根据所需单位增益带宽和相位余量，使密勒补偿电容尽量减小，本文设计中所选密勒补偿电容为0.6PF，相位裕度为64°，单位增益带宽为8.94MHz，达到了比较好的补偿效果。

3 仿真结果与分析

3.1 输入级跨导

　　图4给出了共模输入电压直流扫描输入级跨导的变化曲线。可以看出，曲线上有两个跨导变化比较显著的地方，这是因为当共模输入电平处于中间状态时，输入差分对管存在由导通到弱导通，由弱导通到导通的过渡态，导致跨导增大所致。尽管跨导增大，但图中显示跨导最大的变化仅仅为6%。

3.2 放大器指标

　　在0.6μm工艺下用HSPICE，采用全典型模型，在温度为25℃、电源电压为3.3V单电源供电，负载电阻为10kΩ、电容为10pF时对本文所设计放大器各个指标进行了仿真。仿真结果如图5、图6及表1所示。

　　本文设计了一种轨到轨运算放大器。并针对轨到轨输入级中跨导不恒定的问题提出了一种利用电流开关来恒定跨导的方法。仿真结果表明，该运算放大器基本达到了输入输出的轨到轨，输入级的跨导在整个共模输入范围内仅变化了6%，运放各个指标性能良好，适合于低压低功耗的系统。

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