一種寬帶軌對軌運算放大器設計

設計了一種寬帶軌對軌運算放大器，此運算放大器在3.3 V單電源下供電，采用電流鏡和尾電流開(kāi)關(guān)控制來(lái)實(shí)現輸入級總跨導的恒定。為了能夠處理寬的電平范圍和得到足夠的放大倍數，采用用折疊式共源共柵結構作為前級放大。輸出級采用AB類(lèi)控制的軌對軌輸出。頻率補償采用了級聯(lián)密勒補償的方法?；赥SMC2.5μm CMOS工藝，電路采用HSpice仿真，該運放可達到軌對軌的輸入/輸出電壓范圍。

　　引言

　　近年來(lái)，基于CMOS技術(shù)的低壓、低功耗便攜式產(chǎn)品在人們日常生活中的應用越來(lái)越廣泛。在低電源電壓條件下，需要增大運放輸入/輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現軌對軌輸出，即供電電源電壓和地(或另一電源電壓)之間的輸入共模范圍和輸出擺幅。對于軌對軌運放，輸入級中跨導會(huì )發(fā)生變化，這將會(huì )引起信號的失真、環(huán)路增益的變化等。所以，必須使輸入級跨導在整個(gè)共模輸入范圍內保持恒定。

　　本設計是采用電流鏡改變互補差分對尾電流來(lái)獲取恒定跨導以實(shí)現軌對軌。為了獲得較大的帶寬和增益，輸入級中采用了電流源控制，中間級的電流求和電路采用折疊式共源共柵電路，輸出級采用AB類(lèi)控制電路，并且通過(guò)適當選擇最佳的管長(cháng)比，減少了補償的復雜度。

　　1 輸入級原理與設計

　　軌對軌運算放大器在整個(gè)共模范圍內，輸入級的跨導基本保持恒定，這對低電壓應用是至關(guān)重要的，其在低電源電壓和單電源電壓下可以有寬的輸入共模電壓范圍和輸出擺幅。軌對軌輸入/輸出功能擴大了動(dòng)態(tài)范圍，最大限度地提高了放大器的整體性能。

　　1.1 基本原理

　　一般情況下，運放的輸入級都采用差分放大器，通過(guò)NMOS或PMOS的差分對可實(shí)現基本的差分輸入。然而這種單一的差分，并不能滿(mǎn)足軌對軌輸入的需求。

　　本文設計的輸入電路如圖1所示，輸入電路由一個(gè)PMOS輸入對和一個(gè)NMOS輸入對并連構成。工作原理如下：

　　(1)若Vss≤Vcm≤VgsP+Vdsat，僅PMOS輸入對導通。其中，Vcm為共模輸入電壓，Vss為負電源，VgsP為PMOS管的柵源電壓，Vdsat為電流源兩端的電壓。

　　(2)若Vdd≤Vcm≤VgsN+VDSAT，僅NMOS輸入對導通。其中，Vdd為正電源，VgsN為NMOS管的柵源電壓。

　　(3)若Vcm處于以上兩種情況之外，PMOS，NMOS輸入對均導通。

　　由此可見(jiàn)，NMOS與PMOS差分對并連時(shí)，Vss≤Vcm≤Vdd。

　　對于該輸入級電路的跨導具體分析如下：

　　式中：μP，μN分別為PMOS，NMOS載流子遷移率，Cox為單位面積的柵氧化層電容。所以，當Vcm處于輸入差分對管不同的工作狀態(tài)時(shí)，跨導不恒定，即兩個(gè)MOS差分對管同時(shí)導通是二者分別單獨工作時(shí)的2倍。