本文提出了一種輸入級由最小電流選擇技術(shù)來穩(wěn)定跨導、輸出級采用浮動電流源控制的前饋AB類CMOS運算放大器。

1 輸入級的設(shè)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PMOS或NMOS差分對來實現(xiàn)。但是，通常的差分對不能夠滿足軌對軌共模輸入的要求，因此，實際中常采用的方法是使用NMOS和PMOS互補差分對。簡單的軌對軌輸入級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電路工作范圍可分為3個區(qū)域：

(1)當VCM接近VSS時，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，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，兩差分對均同時工作，gm=gmP+gmN。

但此結(jié)構(gòu)存在一個重要問題，即在整個共模輸入范圍內(nèi)，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鹦盘柕氖д娌⒔o環(huán)路的增益以及運放的頻率補償帶來很大的影響。因此要求輸入級的跨導在整個共模輸入范圍內(nèi)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獲取恒定的跨導;這種方法缺點是過分依賴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(shù);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(shù)，因此gm共模輸入范圍內(nèi)仍然有一些變化。

(3)使用電平移位使PMOS跨導曲線左移或NMOS跨導曲線右移;這種方法最大的缺陷是需要調(diào)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只選擇其中一對電流較大的差分對作為輸出。雖電路的設(shè)計比較復(fù)雜，但它的輸出電流連續(xù)，不依賴于平方律模型，跨導穩(wěn)定性好，MOS管可工作于所有區(qū)域。本文就是采用最小電流選擇的方法設(shè)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)實現(xiàn)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(gòu)成2個比例為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。

當Iin1

若輸入級差分對管選取合適的尺寸，使其在飽和狀態(tài)時有：gmN=gmP=gmT。假設(shè)VIN+>VIN-，結(jié)合圖5輸出級的共源共柵電路，可得：

由公式(3)可以看出最小電流選擇技術(shù)穩(wěn)定了運放輸入級的跨導。

2 浮動電流源控制的前饋AB類輸出級

運放輸出級的作用是在可接受的信號失真限度內(nèi)將輸入級的信號有效地傳遞給負載，同時為保證運放有較好的頻率特性，進行必要的頻率補償。最小電流選擇電路通常與折疊式共源共柵放大器結(jié)合使用，在獲得較大增益的同時也可滿足低電壓的要求。依據(jù)上述要求，將折疊共源共柵作為有源負載與AB類前饋式輸出級相結(jié)合，組成浮動電流源控制的無截止前饋AB類輸出。在保證較小動態(tài)失真的前提下實現(xiàn)信號的滿幅輸出。

輸出級的電路原理圖如圖5所示。M43，M44為2個共源級放大輸出管，M33，M43，M39，M40和M41，M42，M34，M44形成2個跨導線性回路，Ibias1=Ibias2=Io。依據(jù)基爾霍夫電壓定律有：

設(shè)置(W/L)43/(W/L)39=(W/L)44/(W/L)42，這樣輸出級靜態(tài)電流保持不變，靜態(tài)工作點不受輸入共模電壓變化的影響。此外M33、M34還保證了M43、M44的柵極之間有一個穩(wěn)定的電壓，使它們均偏置在飽和區(qū)，當輸入電流流入AB類輸出級時，M33電流增加量等于M34的電流減小量，輸出管M43、M44的柵級電壓升高，輸出級電路從電路輸出點抽取電流，直到流過M33的電流為IM30。浮動電流源和AB類控制浮動電流源電路具有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，浮動電流源補償了AB類控制電路對電源電壓的依賴性，減小了電源電壓變化對輸出級靜態(tài)電流的影響。C1、C2為密勒補償電容，對電路進行頻率補償，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 整體電路與仿真結(jié)果分析

運算放大器的整體電路如圖6所示。在0.6μmBiC-MOS工藝下，用HSpice軟件對該運算放大器進行了仿真驗證，仿真時在3 V單電源供電的全典型狀態(tài)下進行。

圖7為輸入級跨導的仿真結(jié)果，由圖可見，在0～3 V的共模輸入電壓變化范圍內(nèi)，整個輸入級跨導最大變化為3.3%，小于文獻中的7%和6%。

圖8為運放的幅頻和相頻特性曲線，負載電阻為10 kΩ、電容為10 pF。直流開環(huán)增益為93 dB，相位裕量為66°。

圖9、圖10分別為共模輸入范圍曲線和輸出電壓擺幅曲線，從圖中可以看出運放的輸入輸出均達到軌對軌的要求。運放的其他仿真參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)語

本文沒計了一種軌對軌運算放大器。針對軌對軌輸入級中跨導不恒定和簡單的AB類輸出性能較差這兩個問題，選擇采用最小電流選擇電路來穩(wěn)定輸入級的跨導，使用浮動電流源控制的無截止前饋AB類輸出級減小輸出端的動態(tài)失真和對電源電壓的依賴性，實現(xiàn)運放的滿幅輸出，仿真結(jié)果表明，該運放輸入級的跨導在整個共模輸入范圍內(nèi)僅變化了3.3%，運放各個指標性能良好，適合于低壓低功耗的系統(tǒng)。