采用集成電荷泵的軌到軌放大器改善輸入偏置精度

在當(dāng)前的電子系統(tǒng)中，負(fù)電源正在消失，正電源電壓也在逐漸降低。這種趨勢(shì)使得軌到軌放大器日益流行。盡管電源電壓在不斷地改變，但信號(hào)電平通常保持不變。例如，標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)為2V，當(dāng)電源電壓降低到2V時(shí)，放大器/緩沖器必須線性地、準(zhǔn)確地工作于整個(gè)2V電壓范圍內(nèi)。本文將專門討論軌到軌放大器輸入級(jí)的發(fā)展，并詳細(xì)討論克服了軌到軌放大器缺點(diǎn)的輸入增強(qiáng)電路。

為簡(jiǎn)單起見，我們的討論僅限于MOSFET放大器。圖1顯示了基本運(yùn)放的輸入級(jí)。一個(gè)被稱為差分對(duì)的晶體管對(duì)位于電流源上端，用以適應(yīng)差分輸入。盡管這種拓?fù)淠軌蛱峁┎罘衷鲆娌⒁种乒材Ｐ盘?hào)，但其局限性在于其工作范圍。在3V的單電源條件下，輸入電壓范圍在0~1.5V。如果輸入電壓高于1.5V，電流源將被迫退出飽和狀態(tài)。一旦電流源離開飽和區(qū)域，增益將失真。

圖1：基本運(yùn)放的輸入級(jí)。

對(duì)于像電流檢測(cè)或電壓檢測(cè)這樣的實(shí)例應(yīng)用(如EKG)，設(shè)計(jì)質(zhì)量與能夠處理的信號(hào)電壓范圍直接相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)的軌到軌運(yùn)放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能滿足這種挑戰(zhàn)，該拓?fù)溆袃蓚€(gè)輸入級(jí)(如圖2所示)。當(dāng)輸入電壓接近低電壓軌時(shí)，PMOS晶體管對(duì)放大信號(hào)。相反地，NMOS差分對(duì)放大接近上限電壓軌的輸入信號(hào)。通過(guò)這種方式，輸入電壓范圍可以為整個(gè)電源電壓范圍。為獲得這種輸入電壓范圍的改善，最明顯的折衷是需要額外的電源來(lái)偏置互補(bǔ)差分對(duì)。

圖2：軌到軌工作的雙輸入級(jí)。

相對(duì)于輸入偏置電壓，偏置電壓存在不太明顯的折中。NMOS對(duì)的偏置不必與PMOS對(duì)的偏置匹配-發(fā)生偏置時(shí)極性反向。在電源電壓中間附近，存在從一個(gè)對(duì)到另外一個(gè)對(duì)的切換。在切換期間，偏置電壓為每個(gè)對(duì)的偏置電壓的平均值。這就產(chǎn)生了一個(gè)階梯的特性(如圖3所示)。為了更深入了解，圖中給出了不同溫度的偏置電壓。低共模輸入電壓下激活的PMOS輸入對(duì)表現(xiàn)出相對(duì)于溫度很寬的偏置電壓范圍。NMOS對(duì)的變化導(dǎo)致圖中右邊對(duì)于高共模輸入電壓的分布情況。

圖3：相對(duì)于輸入共模電壓的輸入偏置電壓。

如前所述的EKG等檢測(cè)應(yīng)用中，偏置電壓的任何變化都會(huì)影響到系統(tǒng)的精度。信號(hào)必須先被放大到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于偏置電壓的電平，以利用像圖2所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軌到軌放大器。

在高精度和低功耗的應(yīng)用中，需要一種新型的軌到軌放大器。目的是在沒(méi)有交叉偏置電壓失真的情況下獲得全范圍的輸入電壓，這種交叉失真發(fā)生在雙差分設(shè)計(jì)中的切換期間。讓我們重新回到單差分設(shè)計(jì)。圖1所示拓?fù)涞妮斎敕秶恢С终麄€(gè)范圍的輸入操作。輸入范圍的一部份預(yù)留下來(lái)用于偏置飽和區(qū)中的電流源。電流源能以一種允許輸入橫跨電源軌之間的方式實(shí)現(xiàn)偏置嗎？在像EL8178這樣的運(yùn)放中包括了輸入范圍增強(qiáng)電路，用于調(diào)節(jié)提供給電流源的內(nèi)部偏置。圖4展示了這種創(chuàng)新的拓?fù)?。在增?qiáng)電路中是一個(gè)電荷泵。盡管電荷泵常常會(huì)導(dǎo)致噪聲問(wèn)題，但電荷泵的工作頻率遠(yuǎn)超過(guò)放大器的帶寬。因此，放大器的噪聲性能不會(huì)有明顯的改變。

圖4：帶輸入范圍增強(qiáng)電路的軌到軌輸入級(jí)

此外，我們必須重新考慮偏置電壓的問(wèn)題。圖5實(shí)現(xiàn)了保持偏置電壓的目標(biāo)。輸入范圍增強(qiáng)電路允許單個(gè)運(yùn)放對(duì)來(lái)提供軌到軌操作，不需要另外的互補(bǔ)差分對(duì)。偏置電壓完全決定于僅僅一組晶體管的失配，因此沒(méi)有交叉區(qū)域。認(rèn)真的布局和修整可以確保輸入基準(zhǔn)偏置電壓低于100V。

圖5：相對(duì)于輸入共模電壓的增強(qiáng)輸入軌到軌級(jí)輸入偏置電壓。

到此為止，我們的討論僅局限于MOSFET實(shí)現(xiàn)方式。雙極技術(shù)也能受益于這種配置。除了改善偏置電壓，雙極技術(shù)實(shí)現(xiàn)在輸入偏置電流上還能表現(xiàn)出類似的改善。輸入偏置電流僅提供給一個(gè)匹配差分對(duì)，而不是具有交叉區(qū)域的兩個(gè)差分對(duì)。

以上是軌到軌放大器的演進(jìn)過(guò)程。由一個(gè)差分對(duì)組成的基本輸入級(jí)不允許輸入全范圍的電壓。雙差分對(duì)將輸入電壓范圍擴(kuò)展到電源電壓，但是偏置電壓(以及在BJT中的偏置電流)具有非線性，這是因?yàn)閮蓚€(gè)對(duì)之間的切換引起的。第三種解決方案包括一個(gè)內(nèi)部增強(qiáng)電路來(lái)調(diào)整單差分對(duì)的電流源偏置，以實(shí)現(xiàn)偏置電壓連續(xù)條件下的軌到軌操作。表1總結(jié)了3種實(shí)例運(yùn)算放大器的性能。最終版本EL8178提供了低功率、高分辨率系統(tǒng)(如便攜式EKG機(jī)器)所需的規(guī)范。

表1：具有三個(gè)不同輸入級(jí)的運(yùn)放性能特性參數(shù)。