一种轨至轨输入的低压低功耗运放的设计

1、一种轨至轨输入的低压低功耗运放的设计电源逐步下降，晶体管的阈值电压并没有减小，但是运放的共模输入范围越来越小，这使设计出符合低压低功耗要求，输入动态幅度达到全摆幅的运放成为一种必需。本文所设计的具有轨至轨(r-r)输入功能的低压低功耗运算放大，在各种共模输入电平下有着几乎恒定的跨导，使频率补偿更简单实现，适合应用于vlsi库单元及其相关技术领域。理论模型基本的轨至轨输入结构在较低的电源电压下，运算的输 入级设计是十分重要的。传统的pmos差动输入级的共模输入电压范围 vcm可表示为:(1)式中，vss为负电源电压， vcm为共模输入电压，vdsat为源漏饱和压降，vgsp为pmos的栅源电压。

2、同理，nmos差动输入级的共模输入电压范围可表示为：(2)式中，vgsn为nmos的栅源电压。假如将pmos和nmos差分对互补衔接用法，就可以使运放的输入共模范围变为：(3)从而实现了轨至轨的共模输入。图1为轨至轨输入结构的电路暗示图。图1 基本轨至轨输入2 低压低功耗电路跨导恒定结构图1所示的轨至轨输入级电路采纳互补折叠式结构，使共模输入电压可以在囫囵从地到电源电压的范围内工作，假如输入级工作在饱和区，电路的跨导由下面的公式确定：或者(4)式中mn和mp分离代表nmos和pmos的迁移率。从上面的公式可以看出，输入级的跨导会随栅源电压和便置的变幻而变幻。因此，当共模输入电平从vdd到vss

3、变 化时，轨至轨输入差分对的跨导从pmos差分对的跨导变幻到pmos +nmos差分对的跨导之和，再变幻到nmos差分对的跨导。中间部分跨导gm几乎是其它部分的一倍，这种跨导的变幻会使运放的增益误差发生变幻，从而使频率特性变差，因此，需要设计一种电路，使轨至轨输入电路具有恒定的跨导。目前，可保证r-r输入级的gm恒定不变的设计办法主要有以下几种：1. 采纳双极(bjt)线性互补差分对形式的输入级。 2. 由齐纳将p、n差分对的偏置电流连起来实现。 3. 采纳冗余的差分对来实现。4. 用电流镜技术，使偏置电流的大小随输入共模电压的变幻而变幻。上述第4种办法的电路不仅结构容易，而且对gm的控制也易

4、于实现。因此，本文运用了对输入跨导的控制原理，采纳了一种 全新的保持r-r输入级gm为常数的电路结构。电路设计本文所设计的电路2所示，该电路由输入互补差分对、恒定gm电路、共源共栅求和电路组成。m1"m4构成了输入互补差分对。当低共模输入时，p输入差分对m1、m4处于工作状态，n输入差分对m2、m3截止，开关管m17 、m18开启，抽取m16上的电流；m13、m14截止。m15的电流所有流入p差分对，则此区间的等效差分跨导为:(5)当共模输入电压在中间值附近时， p差分对m1、m4与n差分对m2、m3均导通，控制开关m17、m18、m13、m14开启，分离调整它们的栅电压，使其从m1

5、5、m16均抽取3/4的电流，则此区间的等效差分跨导为:(6)当在高共模输入区时，n差分对m2、m3工作，p差分对m1、m4截止。开关管m13、m14开启，抽取m15上的电流，开关管m17、m18截止，m16的电流所有流入n差分对，则此区间的等效差分跨导为:(7)从上面的分析可知，只要合理挑选四个输入管子的长宽比，满足如下关系：(8)gm就会保持恒定。m5"m12为共源共栅求和电路。这种结构的输出阻抗和电压增益比较高，并且有很好的频率特性和电源抑制比。经过分析可知，该电路结构在互补差分对交替工作的时候，当m1，m4与m2、m3不能同时处于饱和状态时，引起求和电路m5"m12的静态电流发生变幻，使电路的输出和极点发生少许转变，从而可能会在过渡区浮现大跨导尖峰，但是，因为这个过渡区很窄，估量这种大的尖峰不会浮现，在囫囵共模范围内，输入跨导基本保持恒定。图3 运放的跨导结果仿真结果本文采纳tsmc公司的0.35mm工艺器件的hspice参数模型举行仿真，得到下面的结果。图3是运放的总跨导，从图中可以看出，当共模输入电压从0v到2v变幻时，囫囵跨导在5%以内变幻，跨导在中部的变幻正如上面所述，是因为 差动对交替工作时，静态电流的变幻所引起的。结语本文所设计的运算放大器具有2v的电