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襯底驅(qū)動軌至軌運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-10-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

隨著便攜式電子產(chǎn)品和超深亞微米集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,低電源電壓低功耗設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代CMOS的發(fā)展趨勢。降低功耗最直接有效的方法是降低電源電壓。然而電源電壓的降低,使得的共模輸入范圍及輸出動態(tài)范圍隨之也降低。同時(shí),電路電源電壓的降低將受到MOSFET閾值電壓的限制。針對這一問題,軌至軌技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,不但有效地降低了MOSFET的閾值電壓,從而直接降低了電路的電源電壓,并且使共模輸入范圍能夠達(dá)到全擺幅。但是MOSFET的輸入跨導(dǎo)小,輸入電容較大,從而限制了電路的最高工作頻率。因此,輸入級的引入,將不可避免地降低運(yùn)放的第一級增益。為此,本文采用改進(jìn)型前饋式AB類輸出級以增加有效輸入級跨導(dǎo),從而避免了襯底驅(qū)動技術(shù)的缺點(diǎn),使電路具有低壓低功耗高增益的特點(diǎn)。

  本文設(shè)計(jì)的電路,采用襯底驅(qū)動技術(shù),將電源電壓降至0.8 V,同時(shí)電路結(jié)合了恒定跨導(dǎo)控制電路和改進(jìn)型前饋式AB類輸出級,能有效提高動態(tài)范圍和響應(yīng)速度,使電路輸入級和輸出級均達(dá)到軌至軌,非常適合低壓低功耗模擬集成電路應(yīng)用。

  1 電路實(shí)現(xiàn)

  襯底軌至軌的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

襯底軌至軌運(yùn)算放大器

圖1 襯底軌至軌運(yùn)算放大器

  1.1 放大器的輸入級

  為使運(yùn)放的共模輸入在整個(gè)電源范圍內(nèi)變化時(shí)電路都能正常工作,采用NMOS和PMOS并聯(lián)的互補(bǔ)差分對結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輸入級的軌至軌。如圖1所示,輸入級M1~M4均采用襯底驅(qū)動MOSFET。對于柵驅(qū)動晶體管來說,輸入級所需要的最小電源電壓為Vsup min=Vgsp+Vgsn+2Vdsat=2Vth+4Vdsat,而襯底驅(qū)動差分對所需最小電源電壓為Vsup min=Vsbp+Vbsn+2Vdsat≈Vth+2Vdsat,因此襯底驅(qū)動輸入級所需的最小電源電壓要低于傳統(tǒng)差分結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于襯底驅(qū)動MOS管通常工作在耗盡區(qū),其耗盡特性有利于實(shí)現(xiàn)低電源電壓下的軌至軌共模輸入范圍。其中,Vgsp、Vgnp分別為PMOS和NMOS管的柵源電壓,Vdsat為MOS管的漏源飽和電壓,Vsbp、Vbsn分別為PMOS管和NMOS管的源襯電壓和襯源電壓,Vth為MOS管的開啟電壓。

  典型的軌至軌運(yùn)算放大器的總跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入變化范圍內(nèi)變化近一倍。跨導(dǎo)的變化帶來增益及單位增益帶寬的變化,也給運(yùn)算放大器的頻率補(bǔ)償帶來很大困難。為此,本文采用冗余差分對(M1a~M4a)及反折式共源共柵求和電路來控制輸入級跨導(dǎo)以保持恒定。冗余管及求和電路均采用襯底驅(qū)動MOSFET,以滿足低工作電壓要求。增加冗余管后的輸入級有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn),即為求和電路提供了恒定的輸出電流,從而有效地消除了輸入級跨導(dǎo)隨輸入電壓變化而對理想頻率補(bǔ)償產(chǎn)生的影響。求和電路采用襯底驅(qū)動反折式共源共柵結(jié)構(gòu)以增加共模輸入范圍,提高電源抑制比(PSRR),同時(shí)增大電路的差動增益,減小失調(diào),實(shí)現(xiàn)低壓下的軌至軌特性。襯底驅(qū)動MOSFET的主要缺點(diǎn)是輸入跨導(dǎo)小、輸入電容較大,導(dǎo)致MOSFET的特征頻率fT減小,從而限制了電路的最高工作頻率。因此,襯底驅(qū)動輸入級的引入,將不可避免地降低運(yùn)放的第一級增益(-gmbr0)。本文采用改進(jìn)型前饋式AB類輸出級以增加有效輸入級跨導(dǎo),避免襯底驅(qū)動技術(shù)的缺點(diǎn)。

  1.2 放大器的輸出級

  在軌至軌運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中,為了充分發(fā)揮軌至軌運(yùn)算放大器的特性,必須設(shè)計(jì)良好的輸出級。為了達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換效率以及輸出全擺幅,軌至軌運(yùn)算放大器的輸出級通常采用前饋式AB類輸出級。

  本設(shè)計(jì)采用折疊共柵共源作為有源負(fù)載,并將其與前饋式AB類輸出級相結(jié)合,在提高電壓增益、增加電壓輸出動態(tài)范圍的同時(shí),保證了在整個(gè)共模輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)算放大器的總電壓增益。但是這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是,AB類控制電路的偏置電流源和共源共柵負(fù)載成并列關(guān)系,從而降低了輸入級的輸


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