基于最小電流選擇的運算放大器設計

摘要：設計了一種工作電壓為3 V恒跨導滿(mǎn)幅CMOS運算放大器，針對軌對軌輸入級中存在的跨導不恒定和簡(jiǎn)單AB類(lèi)輸出級性能偏差這2個(gè)問(wèn)題，提出了利用最小電流選擇電路來(lái)穩定輸入級的總跨導；浮動(dòng)電流源控制的無(wú)截止前饋AB類(lèi)輸出級實(shí)現了運放的滿(mǎn)幅輸出，同時(shí)減小了交越失真。該電路通過(guò)HSpice進(jìn)行仿真驗證，在0～3 V輸入共模范圍內，輸入級跨導的變化小于3．3％，開(kāi)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；滿(mǎn)幅；運算放大器

0 引言
隨著(zhù)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(lái)越多的關(guān)注。運放作為模擬電路最基本的模塊，它的性能至關(guān)重要。然而低電壓導致運放輸入共模范圍的降低，傳統的PMOS或NMOS差分對輸入不能滿(mǎn)足大的輸入共模范圍的要求，因此軌對軌運放應運而生。
通常，軌對軌運放采用2級結構，運放的輸出級通?？刹捎肁類(lèi)或AB類(lèi)輸出級電路來(lái)實(shí)現，運放整體性能的關(guān)鍵則在于輸入級的設計。輸入級一般采用PMOS和NMOS并聯(lián)的互補差分結構。但這種結構帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題：輸入級跨導在整個(gè)共模輸入范圍內變化可達到2倍，引起環(huán)路增益以及單位增益帶寬變大，給頻率補償帶來(lái)困難，嚴重時(shí)可能會(huì )導致系統不穩定。傳統的AB類(lèi)輸出級頻率特性和動(dòng)態(tài)特性較差，增益帶寬積無(wú)法做得很高，因此穩定跨導在輸入共模范圍內恒定和提高輸出級電路的增益帶寬積和動(dòng)態(tài)特性是軌對軌滿(mǎn)幅運放設計的重點(diǎn)。基于上面2個(gè)目的，本文提出了一種輸入級由最小電流選擇技術(shù)來(lái)穩定跨導、輸出級采用浮動(dòng)電流源控制的前饋AB類(lèi)CMOS運算放大器。

1 輸入級的設計
1．1 軌對軌運放輸入級電路分析
通常運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(guò)PMOS或NMOS差分對來(lái)實(shí)現。但是，通常的差分對不能夠滿(mǎn)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互補差分對。簡(jiǎn)單的軌對軌輸入級結構如圖1所示。

電路工作范圍可分為3個(gè)區域：
(1)當VCM接近VSS時(shí)，NMOS差分對截止，PMOS差分對處于工作狀態(tài)，gm=gmP；
(2)當VCM接近VDD時(shí)，PMOS差分對截止，NMOS差分對處于工作狀態(tài)，gm=gmN；
(3)當VCM處于中間值時(shí)，兩差分對均同時(shí)工作，gm=gmP+gmN。
但此結構存在一個(gè)重要問(wèn)題，即在整個(gè)共模輸入范圍內，輸入電路的總跨導不恒定，變化達到2倍，如圖2所示?？鐚У淖兓瘯?huì )引起信號的失真并給環(huán)路的增益以及運放的頻率補償帶來(lái)很大的影響。因此要求輸入級的跨導在整個(gè)共模輸入范圍內保持恒定。

目前跨導恒定的方法有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(lái)獲取恒定的跨導；這種方法缺點(diǎn)是過(guò)分依賴(lài)于理想的平方律模型，在MOS管工作在強反型層和弱反型層時(shí)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；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，因此gm共模輸入范圍內仍然有一些變化。
(3)使用電平移位使PMOS跨導曲線(xiàn)左移或NMOS跨導曲線(xiàn)右移；這種方法最大的缺陷是需要調整，因為其性能隨工藝、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(shí)只選擇其中一對電流較大的差分對作為輸出。雖電路的設計比較復雜，但它的輸出電流連續，不依賴(lài)于平方律模型，跨導穩定性好，MOS管可工作于所有區域。本文就是采用最小電流選擇的方法設計了運放的輸入級。

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構成2個(gè)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。