一种高共模抑制比恒定跨导运算放大器

1、第37卷第2期2007年4月微电子学MicroelectronicsVol137,l2Apr12007一种高共模抑制比恒定跨导运算放大器朱 莹,李 丽,杨盛光,何书专,张 川(江苏省光电信息功能材料重点实验室;南京大学微电子设计研究所,江苏南京 210093)摘 要: 介绍了一种基于电平位移技术实现恒定跨导的CMOSRai-lto-Rail运算放大器。该电路克服了一般运算放大器输入共模范围小的特点,输入级引入了电平位移电路,使运放在各种输入共模电压下的跨导几乎恒定。在此基础上,设计了一种具有高共模抑制比的恒定跨导运算放大器。该运算放大器具有Rai-lto-Rail的输入、输出能力。整个电路采用

2、Hynix0.5LmCMOS工艺进行设计。关键词: 恒定跨导;运算放大器;电平位移;共模抑制比;电源抑制比中图分类号: TN722.7+7 文献标识码: A 文章编号:1004-3365(2007)02-0242-04AHighCMRRConstant-TransconductanceRai-lto-RailCMOSOp-AmpZHUYing,LILi,YANGSheng-guang,HEShu-zhuan,ZHANGChuan(KeyLab.ofAdvan.Photo.andElectronicMaterials;InstituteofVLSIDesign,NanjingUniversity

3、,Nanjing,Jiangsu210093,P.R.China)-transconductance(constant-gm)CMOSrai-lto-railoperationalamplifierwithdcshiftisAbstract: Aconstantpresented.Thiskindofcircuitmakesiteasytorealizelargecommoninputrangeduetotheapplicationofdcshiftininputstage.Anoperationalamplifierwithhighcommon-moderejectionratio(CMRR

4、)isdesignedbasedonthistransconductance,whichprovidesrai-lto-railinputandoutput.ThecircuitisrealizedinHynix.s0.5LmCMOSprocess.Keywords: Constant-transconductance(constant-gm);Operationalamplifier;dcshift;CMRR;PSRREEACC: 12201 引 言在模拟电路中,输入共模范围说明在这个共模信号范围内,放大器对差分信号有响应,且具有同样增益的放大作用。随着电源电压的减小,由于阈值电压并不能同比

5、例地减小,导致CMOS运算放大器的输入共模范围大大减小。而输入共模范围的减小,会影响运算放大器的共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)等性能。为了克服这个问题,可以对CMOS运放的输入级进行改进。具有Rai-lto-Rail输入、输出能力的高性能运算放大器是当今IC设计中一个极具挑战性的课题。本文提出了一种恒定跨导的电路设计,输入级采用电平位移技术,输出级采用补偿的推挽输出,从而实现输入、输出全摆幅及高的共模抑制比。收稿日期:2006-07-23; 定稿日期:2006-09-212 基本的Rai-lto-Rail输入结构图1是基本的Rail-to-Rail输入结构。它将图1 基本的Ra

6、i-lto-Rail输入结构Fig.1 Basicrai-lto-railinputstructure基金项目:国家自然科学基金资助项目(90307011);江苏省高技术研究资助项目(BG2005030)第2期朱 莹等:一种高共模抑制比恒定跨导运算放大器243NMOS和PMOS差分输入级并联使用,使输入共模的范围可以从GND到VDD。该结构有三个工作区,每个区域的输入跨导可表示为:1)0VicmVonn(NMOS关断,PMOS导通)gm(等效)=gmp;2)VonnVicmVonp(NMOS和PMOS同时导通)gm(等效)=gmn+gmp;3)VonpVicmVDD(NMOS导通,PMOS关断

7、)gm(等效)=gmn。其中,gm(等效)是图1电路中的等效输入跨导,gmn是NMOS的输入跨导,gmp是PMOS的输入跨导。图2是图1所示结构等效跨导随输入共模电压变化的理想曲线2。1时:gm,tot=poxppp(2)(3)nCox(Wh/Ln)In3)当只有NMOS差分对工作时: gmn=noxnnn从(1)、(2)、(3)式可以看出,当Ip=In=Ib,up(Wp/Lp)=un(Wn/Ln)时,gmp=gm,然后再采用3B1的电流镜,使PMOS差分对和NMOS差分对单独导通时的偏置电流为其同时导通时的4倍,即可实现整个输入电压范围内gmp=gm=gm,tot,从而实现恒定跨导的输入级。

8、图3 采用电流补偿技术实现恒定跨导Fig.3 Schematicsofconstant-gmcircuitusingcurrentcompensation图2 等效跨导随输入共模电压的变化Fig.2 Equivalentgmversuscommoninputvoltage3.2 采用电平位移技术实现恒定跨导图4是基于电平位移技术的恒定跨导实现方法。其原理是:在整个输入电压范围内,电路跨导的不恒定是由于在一段共模电压范围内PMOS和NMOS差分对同时处于饱和区所致。可以考虑将PMOS的等效跨导曲线左移,使得在整个输入电压范围内的任何时刻,只有NMOS(或PMOS)差分对处于饱和区,从而实现恒定跨

9、导。从图2中可以看出,在NMOS差分对和PMOS差分对同时导通时,等效跨导是其他情况下的两倍。这样的特性会引入非线性,并且会给与输入共模电压有关的补偿造成困难。3 恒定跨导的两种实现方法要保证电路的线性特性,就需要图2中的总跨导gm,tot在整个输入范围内保持恒定。有两种方法可以实现恒定跨导的输入级。一种是使用电流补偿技术,另一种是采用电平位移技术。3.1 采用电流补偿技术实现恒定跨导图3中,恒定跨导的实现是基于电流补偿技术的3-5。其实现原理是:1)当只有PMOS差分对工作时: gmp=poxppp(1)2)当PMOS和NMOS两对差分对同时工作图4 采用电平位移技术实现恒定跨导Fig.4

10、Schematicsofconstant-gmcircuitusingdcshift244朱 莹等:一种高共模抑制比恒定跨导运算放大器2007年图4中,M5和M6、M7和M8实现了电平位移,使得PMOS差分对的等效跨导左移,最终实现输入级电路的恒定跨导。从图4可以看出,采用的电平位移技术实现恒定跨导比采用电流补偿技术实现恒定跨导更简单,且节省了面积和功耗,更易实现高共模抑制比6相对于图5电路,图6电路增加了M28M31。通过M28、M29和M30、M31组成的电流镜,将NMOS差分输入对的输出与PMOS差分输入对的输出相加后,再与M16M23构成折叠式共源共栅相连。根据前面所述的由电平位移形成

11、恒定跨导的原理,调节输入对管M1M4的参数以及电平位移电路M7M10的参数,可以实现恒定跨导以及输入级的Rai-lto-Rail。图5和图6中,输入级的输出与第二级的折叠式共源共栅的连接有所不同。图5中,输入NMOS对M1、M2驱动共源共栅电路中的M16M19,输入PMOS对M3、M4驱动共源共栅电路中的M20M23。而图6中,将一个输入NMOS管M1的输出经过电流镜镜像后,与一个输入PMOS管M4的电流相加,另一个输入NMOS管M2的输出经过电流镜镜像后,与另一个输入PMOS管M3的电流相加,然后驱动共源共栅电路中的M20M23。它们的区别在于,图5中的运算放大器A是将输入的NMOS管M1M

12、2作为一对,将输入的PMOS管M3M4作为一对,这两对输入管的双端输出驱动共源共栅电路;图6中的运算放大器B是将一个输入NMOS管M1和一个输入PMOS管M4作为一对,另一个输入NMOS管M2和另一个输入PMOS管M3作为另一对,这两对输入管的单端输出驱动共源共栅电路。在不同的共模输入电压作用时,运算放大器A的输入级的输出共模电平会因为NMOS对和PMOS对的不同工作状态而导致其输入对驱动能力的不匹配,运算放大器B的输入级的输出共模电平在任何时候都相同,因此,其输入级的输出对共源共栅的影响会比运算放大器A小,从而使运算放大器B的共模抑制比优于运算放大器A。将第二级的折叠式共源共栅电路用来提高整

13、个电路的增益、共模抑制比等。输出级采用米勒补偿的推挽输出,不仅能使输出级达到Rai-lto-Rail,提高输出级的效率,同时,还可以保证整个电路的稳定。4 基于电平位移技术的恒定跨导运算放大器下面介绍一种采用电平位移技术实现恒定跨导的运算放大器,如图5所示7。图5 采用电平位移技术的一种恒定跨导运算放大器AFig.5 Constant-gmOp-AmpAusingdcshift图5中,由M1M4构成互补差分输入对,两对PMOS的M7M10构成源跟随器形式的电平位移电路,M16M23构成折叠式共源共栅电路,提供高增益,M24M27形成甲乙类输出级,由M11M15组成偏置电路,Cc是米勒补偿电容,

14、CL为负载电容。5 仿真结果两个电路均采用Hynix0.5LmCMOS工艺进行设计,其中,M1M27的参数完全相同,负载电容图6 采用电平位移技术的恒定跨导运算放大器BFig.6 Constant-gmOp-AmpBusingdcshiftCL=10pF。图7是运算放大器A的等效跨导随输入共模电压变化特性,图8是运算放大器B的等效跨导随输入共模电压变化的特性。表1是两个放大第2期朱 莹等:一种高共模抑制比恒定跨导运算放大器245器的模拟结果。从图7和图8可以看出,在共模输入范围内,其输入级的跨导基本恒定,变化量不超过8%。表1显示,运算放大器B的共模抑制较之运算放大器A提高了近20dB。6 结

15、 论本文介绍了一种基于电平位移技术的高共模抑制比的恒定跨导运算放大器。它的工作原理是将PMOS差分输入对的等效跨导曲线左移,从而实现整个NMOS、PMOS差分输入对的等效跨导恒定。图7 运算放大器A的等效跨导随输入共模电压变化特性 Fig.7 Op-AmpA.sequivalentgmversuscommoninputvoltage在此基础上,对恒定跨导输入级的输出端进行改进,从而提高了共模抑制比等参数。参考文献:12AllenPE.CMOSAnalogCircuitDesignM.SecondEdition.北京:电子工业出版社,2005.340-343.AustinCJM.Constant

16、-gmrai-lto-railinput/outputop-ampforvideoapplicationsA.EuroSolStaCircConfC.Italy.2002.179-126.BotmaJH,WassenaarRF,WiegerinkRJ,etal.Alow-voltageCMOSoperationalamplifierwitharai-lto-railconstant-gminputstageandaclassABrai-lto-railoutputstageA.ProcISCASC.Chicago,USA.1993.1314-1317.43图8 运算放大器B的等效跨导随输入共模

17、电压变化特性 Fig.8 Op-AmpB.sequivalentgmversuscommoninputvoltage5HogervorstR,TeroJP,EschauzierRGH,etal.Acompactpower-efficient3VCMOSrai-lto-railinput/outputoperationalamplifierforVLSIcelllibrariesA.IntSolStaCircConfC.SanFrancisco,CA,USA.1994.244-245.NagarajK.ConstanttransconductanceCMOSampl-ifierinputstag

18、ewithrai-lto-railinputcommon-modevoltageJ.IEEETransCircSystI,1995,42(5):表1 运算放大器模拟结果Table1 SimulationresultsofOp-AmpsAandB电源电压/V输入共模范围/V输入级跨导变化率/%低频增益/dB单位增益带宽/MHz相位裕度/(b)共模抑制比(CMRR)/dB电源抑制比(PSRR+/PSRR-)/dB摆率(SR+/SR-)/V#Ls-1302.9?863.63.556587.668.73/67.918.5/-8.2运算放大器A302.94?771.523.525910474.29/73.216.2/-5.9运算放大器B6366-368.YouF,