基于最小電流選擇的運(yùn)算放大器設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種工作電壓為3 V恒跨導(dǎo)滿幅CMOS運(yùn)算放大器，針對軌對軌輸入級中存在的跨導(dǎo)不恒定和簡單AB類輸出級性能偏差這2個問題，提出了利用最小電流選擇電路來穩(wěn)定輸入級的總跨導(dǎo)；浮動電流源控制的無截止前饋AB類輸出級實(shí)現(xiàn)了運(yùn)放的滿幅輸出，同時減小了交越失真。該電路通過HSpice進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在0～3 V輸入共模范圍內(nèi)，輸入級跨導(dǎo)的變化小于3．3％，開環(huán)增益為93 dB，單位增益帶寬為8 MHz，相位裕量為66°。
關(guān)鍵詞：最小電流選擇；恒跨導(dǎo)；滿幅；運(yùn)算放大器

0 引言
隨著集成電路的快速發(fā)展，CMOS工藝的低電壓低功耗模擬電路受到越來越多的關(guān)注。運(yùn)放作為模擬電路最基本的模塊，它的性能至關(guān)重要。然而低電壓導(dǎo)致運(yùn)放輸入共模范圍的降低，傳統(tǒng)的PMOS或NMOS差分對輸入不能滿足大的輸入共模范圍的要求，因此軌對軌運(yùn)放應(yīng)運(yùn)而生。
通常，軌對軌運(yùn)放采用2級結(jié)構(gòu)，運(yùn)放的輸出級通?？刹捎肁類或AB類輸出級電路來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)放整體性能的關(guān)鍵則在于輸入級的設(shè)計。輸入級一般采用PMOS和NMOS并聯(lián)的互補(bǔ)差分結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)帶來幾個問題：輸入級跨導(dǎo)在整個共模輸入范圍內(nèi)變化可達(dá)到2倍，引起環(huán)路增益以及單位增益帶寬變大，給頻率補(bǔ)償帶來困難，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的AB類輸出級頻率特性和動態(tài)特性較差，增益帶寬積無法做得很高，因此穩(wěn)定跨導(dǎo)在輸入共模范圍內(nèi)恒定和提高輸出級電路的增益帶寬積和動態(tài)特性是軌對軌滿幅運(yùn)放設(shè)計的重點(diǎn)。基于上面2個目的，本文提出了一種輸入級由最小電流選擇技術(shù)來穩(wěn)定跨導(dǎo)、輸出級采用浮動電流源控制的前饋AB類CMOS運(yùn)算放大器。

1 輸入級的設(shè)計
1．1 軌對軌運(yùn)放輸入級電路分析
通常運(yùn)放輸入級采用差分輸入模式。在CMOS工藝中，差分放大器可通過PMOS或NMOS差分對來實(shí)現(xiàn)。但是，通常的差分對不能夠滿足軌對軌共模輸入的要求，因此，實(shí)際中常采用的方法是使用NMOS和PMOS互補(bǔ)差分對。簡單的軌對軌輸入級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電路工作范圍可分為3個區(qū)域：
(1)當(dāng)VCM接近VSS時，NMOS差分對截止，PMOS差分對處于工作狀態(tài)，gm=gmP；
(2)當(dāng)VCM接近VDD時，PMOS差分對截止，NMOS差分對處于工作狀態(tài)，gm=gmN；
(3)當(dāng)VCM處于中間值時，兩差分對均同時工作，gm=gmP+gmN。
但此結(jié)構(gòu)存在一個重要問題，即在整個共模輸入范圍內(nèi)，輸入電路的總跨導(dǎo)不恒定，變化達(dá)到2倍，如圖2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(yùn)放的頻率補(bǔ)償帶來很大的影響。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。

目前跨導(dǎo)恒定的方法有4種：
(1)利用3倍電流鏡偏置回路保持尾電流平方根之和恒定來獲取恒定的跨導(dǎo)；這種方法缺點(diǎn)是過分依賴于理想的平方律模型，在MOS管工作在強(qiáng)反型層和弱反型層時不能通用。
(2)利用齊納二極管使得P、N差分輸入對的柵源電壓之和為常數(shù)；這種技術(shù)的缺陷是二極管連接的MOS性能是其兩端電壓的函數(shù)，因此gm共模輸入范圍內(nèi)仍然有一些變化。
(3)使用電平移位使PMOS跨導(dǎo)曲線左移或NMOS跨導(dǎo)曲線右移；這種方法最大的缺陷是需要調(diào)整，因?yàn)槠湫阅茈S工藝、溫度變化、最佳的直流電平的改變而改變。
(4)最大／最小電流選擇法在電路工作時只選擇其中一對電流較大的差分對作為輸出。雖電路的設(shè)計比較復(fù)雜，但它的輸出電流連續(xù)，不依賴于平方律模型，跨導(dǎo)穩(wěn)定性好，MOS管可工作于所有區(qū)域。本文就是采用最小電流選擇的方法設(shè)計了運(yùn)放的輸入級。

1．2 最小電流選擇軌對軌輸入級
圖3為用最小電流選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)的輸入級示意圖，若I1=I2=I3=I4=Itail=I，那么選擇(中最小的一組電流也就是選擇(IN1，IP2)(IN2，IP1)中較大的兩路電流值。

具體的最小電流選擇電路如圖4所示。M1，M2，M3構(gòu)成2個比例為1：1的電流鏡，同樣M4，M5和M6，M7分別為比例為1：1的電流鏡。