低壓CMOS滿幅度恒定增益運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)
1 引言
隨著便攜式消費(fèi)電子需求的日益增長,低壓、低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)之一。趨勢表明[1],電壓的降低給模擬電路設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。就低壓運(yùn)放設(shè)計(jì)而言,一般傳統(tǒng)采用互補(bǔ)差分對輸入級以實(shí)現(xiàn)滿幅度輸入范圍,然而,當(dāng)電源電壓低于vt.nmos+|vt.pmos|+vds,pmos-|vds,pmos|時(shí),差分對會(huì)出現(xiàn)截止區(qū),導(dǎo)致最小電源電壓要高于2個(gè)閾值電壓與2個(gè)過飽和電壓之和。0.35μm工藝下vt,nmos的典型值為0.52v,vt,pmos的典型值為-0.75v,則傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最小工作電壓只能在1.4v左右。為了避免采用復(fù)雜工藝實(shí)現(xiàn)電源電壓低于1v的運(yùn)算放大器而增加產(chǎn)品成本。見文獻(xiàn)[2-4]的電路結(jié)構(gòu)采用共模電平偏移的電路結(jié)構(gòu),箝位共模電平,在標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝下簡單地實(shí)現(xiàn)了低電壓運(yùn)算放大器。
已有文獻(xiàn)[2]采用pmos差分對來實(shí)現(xiàn)電源電壓為1v的運(yùn)算放大器,但由于vt,pmos的典型值為-0.75v,使得前置反饋電路的工作電平范圍為1-0.15v,幾乎涵蓋整個(gè)共模電平范圍,運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性降低,另外,該結(jié)構(gòu)下的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)也會(huì)受體效應(yīng)的影響,影響增益的恒定性。本文采用nmos差分對結(jié)構(gòu),還對前置反饋電平偏移電路進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),使電源電壓降為0.9v的同時(shí),提高了增益的恒定性。
2 設(shè)計(jì)的基本思路
基于前置反饋的電平偏移電路的設(shè)計(jì)如圖1,vi+,vi-的共模電平vi,cm低于vref時(shí),通過反饋電路控制電流源獲得適當(dāng)?shù)碾娏鱥,vin+,vin-的共模電平vin,cm提升到vref,同時(shí)電阻傳遞完整的差模信號,再由vin+,vin-連接nmos差分對來實(shí)現(xiàn)整體電路,如圖1所示。
3 運(yùn)算放大器的具體實(shí)現(xiàn)
反饋電路的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,其反饋過程如下:vi+,vi-的共模電平vi,cm降低時(shí),vin+,vin-的共模電vin,cm降低,此時(shí)idm1減小,idm11增大,vx點(diǎn)的電位升高,idm8增大,電阻的端電壓增大,vin,cm升高。若vref過高,由于ib的大小和電流鏡工作電壓的限制,vin,cm不會(huì)上升到vtel的電平。為了m5與m6,m7的漏源電壓近似相等,引入m12增強(qiáng)電流鏡的匹配。
下面對反饋環(huán)路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,運(yùn)放a的開環(huán)增益為:
由式(5)可以看出,電路工作時(shí),需要保持m8漏源電壓較小,則寬長較大,在相同的漏源電流下,gm8不可能很小。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí),運(yùn)放a的跨導(dǎo)gm1應(yīng)該可能小,補(bǔ)償電容c應(yīng)該較大,同時(shí)在版圖設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意減小寄生電容cp,以增強(qiáng)反饋的穩(wěn)定性。
采用nmos差分對的低壓運(yùn)算放大器,結(jié)構(gòu)如圖3所示,其兩級直流增益可以分別為:
av1=gmt1[rot8//gmt6rot6+1]rot4] (6)
av2=gmt9(rot9//rot10) (7)
其中,gmt1,gmt6,gmt9分別為mt1,mt6,mt9的跨導(dǎo),rot4,rot6,rot9,rot10分別為對應(yīng)mos管的輸出電阻。
4 模擬結(jié)果
在0.9v電源電壓下,為使m3,m4工作在放大區(qū),vret可在0.62-1v之間取任意值,圖4結(jié)果顯示,在0-0.9v的共模電平范圍內(nèi),當(dāng)輸入端共模電平vi,cm<0.62v時(shí),此時(shí)反饋電路使得m1,m2工作在放大區(qū),內(nèi)部共模電平vin,cm保持0.62v恒定;vi,cm>0.62v時(shí),vx電位降低,反饋電路停止工作,vin,cm隨vi,cm增大而增大。
在10pf外接負(fù)載情況下,交流特性如圖5所示。
在滿幅度范圍內(nèi),運(yùn)算放大器的滯留增益,單位增益帶寬和相位裕度相當(dāng)穩(wěn)定,具體參數(shù)如表1所示。
5 結(jié)論
本文基于標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝,設(shè)計(jì)了電源電壓低至0.9v的運(yùn)算放大器。模擬結(jié)果顯示,在整個(gè)滿幅度范圍內(nèi),該運(yùn)算放大器增益波動(dòng)僅為0.01%,可用于低壓低功耗的 soc設(shè)計(jì)中。
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