一種恒跨導CMOS運算放大器的設計

摘要：設計了一種寬帶軌對軌運算放大器，此運算放大器在3．3 V單電源下供電，采用電流鏡和尾電流開關控制來實現輸入級總跨導的恒定。為了能夠處理寬的電平范圍和得到足夠的放大倍數，采用用折疊式共源共柵結構作為前級放大。輸出級采用AB類控制的軌對軌輸出。頻率補償采用了級聯密勒補償的方法。基于TSMC2．5μm CMOS工藝，電路采用HSpice仿真，該運放可達到軌對軌的輸入／輸出電壓范圍。
關鍵詞：軌對軌；運算放大器；電流開關；AB類輸出級

0 引言
隨著微電子技術的發展，混合信號集成電路得到了廣泛應用。集成電路已發展到系統級芯片(SOC)階段。特別是隨著CMOS工藝的進步，CMOS電路所具有的低成本、低功耗以及高速度等特點，使集成電路的應用、理論和技術發生了深刻的變化。另外隨著CMOS模擬電路設計的不斷進步，CMOS技術不僅是實現SOC的最好選擇，而且是實現模擬集成電路的有效方法。近年來，基于CMOS技術的低壓、低功耗便攜式產品在人們日常生活中的應用越來越廣泛。在低電源電壓條件下，需要增大運放輸入／輸出信號的動態范圍，實現軌對軌輸出，即供電電源電壓和地(或另一電源電壓)之間的輸入共模范圍和輸出擺幅。對于軌對軌運放，輸入級中跨導會發生變化，這將會引起信號的失真、環路增益的變化等。所以，必須使輸入級跨導在整個共模輸入范圍內保持恒定。
本設計是采用電流鏡改變互補差分對尾電流來獲取恒定跨導以實現軌對軌。為了獲得較大的帶寬和增益，輸入級中采用了電流源控制，中間級的電流求和電路采用折疊式共源共柵電路，輸出級采用AB類控制電路，并且通過適當選擇最佳的管長比，減少了補償的復雜度。

1 輸入級原理與設計
軌對軌運算放大器在整個共模范圍內，輸入級的跨導基本保持恒定，這對低電壓應用是至關重要的，其在低電源電壓和單電源電壓下可以有寬的輸入共模電壓范圍和輸出擺幅。軌對軌輸入／輸出功能擴大了動態范圍，最大限度地提高了放大器的整體性能。
1．1 基本原理
一般情況下，運放的輸入級都采用差分放大器，通過NMOS或PMOS的差分對可實現基本的差分輸入。然而這種單一的差分，并不能滿足軌對軌輸入的需求。
本文設計的輸入電路如圖1所示，輸入電路由一個PMOS輸入對和一個NMOS輸入對并連構成。工作原理如下：

(1)若Vss≤Vcm≤VgsP+Vdsat，僅PMOS輸入對導通。其中，Vcm為共模輸入電壓，Vss為負電源，VgsP為PMOS管的柵源電壓，Vdsat為電流源兩端的電壓。
(2)若Vdd≤Vcm≤VgsN+VDSAT，僅NMOS輸入對導通。其中，Vdd為正電源，VgsN為NMOS管的柵源電壓。
(3)若Vcm處于以上兩種情況之外，PMOS，NMOS輸入對均導通。
由此可見，NMOS與PMOS差分對并連時，Vss≤Vcm≤Vdd。
對于該輸入級電路的跨導具體分析如下：

可知：若PMOS或NMOS輸入對分別單獨導通，其跨導均為：

式中：μP，μN分別為PMOS，NMOS載流子遷移率，Cox為單位面積的柵氧化層電容。所以，當Vcm處于輸入差分對管不同的工作狀態時，跨導不恒定，即兩個MOS差分對管同時導通是二者分別單獨工作時的2倍。