襯底驅(qū)動軌至軌運算放大器設(shè)計

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)計已成為現(xiàn)代CMOS運算放大器的發(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，使得運算放大器的共模輸入范圍及輸出動態(tài)范圍隨之也降低。同時，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，襯底驅(qū)動軌至軌技術(shù)應(yīng)運而生，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到全擺幅。但是襯底驅(qū)動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，襯底驅(qū)動輸入級的引入，將不可避免地降低運放的第一級增益。為此，本文采用改進型前饋式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，使電路具有低壓低功耗高增益的特點。

　　本文設(shè)計的電路，采用襯底驅(qū)動技術(shù)，將電源電壓降至0.8 V，同時電路結(jié)合了恒定跨導(dǎo)控制電路和改進型前饋式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 電路實現(xiàn)

　　襯底軌至軌運算放大器的實現(xiàn)如圖1所示。

圖1 襯底軌至軌運算放大器

　　1.1 放大器的輸入級

　　為使運放的共模輸入在整個電源范圍內(nèi)變化時電路都能正常工作，采用NMOS和PMOS并聯(lián)的互補差分對結(jié)構(gòu)來實現(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。

　　典型的軌至軌運算放大器的總跨導(dǎo)在整個共模輸入變化范圍內(nèi)變化近一倍?？鐚?dǎo)的變化帶來增益及單位增益帶寬的變化，也給運算放大器的頻率補償帶來很大困難。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顯著的優(yōu)點，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），同時增大電路的差動增益，減小失調(diào)，實現(xiàn)低壓下的軌至軌特性。襯底驅(qū)動MOSFET的主要缺點是輸入跨導(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放的第一級增益（-gmbr0）。本文采用改進型前饋式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。

　　1.2 放大器的輸出級

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

　　本設(shè)計采用折疊共柵共源作為有源負載，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，保證了在整個共模輸入電壓范圍內(nèi)運算放大器的總電壓增益。但是這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點是，AB類控制電路的偏置電流源和共源共柵負載成并列關(guān)系，從而降低了輸入級的輸