引言
電源電壓逐步下降,晶體管的閾值電壓并沒有減小,但是運(yùn)放的共模輸入范圍越來越小,這使設(shè)計出符合低壓低功耗要求,輸入動態(tài)幅度達(dá)到全擺幅的運(yùn)放成為一種必須。本文所設(shè)計的具有軌至軌(R-R)輸入功能的低壓低功耗CMOS運(yùn)算放大電路,在各種共模輸入電平下有著幾乎恒定的跨導(dǎo),使頻率補(bǔ)償更容易實現(xiàn),適合應(yīng)用于VLSI庫單元及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
理論模型
基本的軌至軌輸入結(jié)構(gòu)
在較低的電源電壓下,運(yùn)算放大器的輸 入級設(shè)計是非常重要的。傳統(tǒng)的PMOS差動輸入級的共模輸入電壓范圍 VCM可表示為:
(1)
式中,VSS為負(fù)電源電壓, VCM為共
模輸入電壓,VDsat為源漏飽和壓降,VGSP為PMOS的柵源電壓。同理,NMOS差動輸入級的共模輸入電壓范圍可表示為:
(2)
式中,VGSN為NMOS的柵源電壓。如果將PMOS和NMOS差分對互補(bǔ)連接使用,就可以使運(yùn)放的輸入共模范圍變?yōu)椋?/p>
(3)
從而實現(xiàn)了軌至軌的共模輸入。圖1為軌至軌輸入結(jié)構(gòu)的電路示意圖。
圖1 基本軌至軌輸入電路
圖2 低壓低功耗運(yùn)算放大器電路
跨導(dǎo)恒定結(jié)構(gòu)
圖1所示的軌至軌輸入級電路采用互補(bǔ)折疊式結(jié)構(gòu),使共模輸入電壓可以在整個從地到電源電壓的范圍內(nèi)工作,如果輸入級工作在飽和區(qū),電路的跨導(dǎo)由下面的公式確定:
或者
(4)
式中mn和mp分別代表NMOS和PMOS的遷移率。從上面的公式可以看出,輸入級的跨導(dǎo)會隨柵源電壓和便置電流的變化而變化。因此,當(dāng)共模輸入電平從VDD到VSS變 化時,軌至軌輸入差分對的跨導(dǎo)從PMOS差分對的跨導(dǎo)變化到PMOS +NMOS差分對的跨導(dǎo)之和,再變化到NMOS差分對的跨導(dǎo)。中間部分跨導(dǎo)gm幾乎是其它部分的一倍,這種跨導(dǎo)的變化會使運(yùn)放的增益誤差發(fā)生變化,從而使頻率特性變差,因此,需要設(shè)計一種電路,使軌至軌輸入電路具有恒定的跨導(dǎo)。
目前,可保證R-R輸入級的gm恒定不變的設(shè)計方法主要有以下幾種:1. 采用雙極(BJT)線性互補(bǔ)差分對形式的輸入級。 2. 由齊納二極管將P、N差分對的偏置電流連起來實現(xiàn)。 3. 采用冗余的差分對來實現(xiàn)。4. 用電流鏡技術(shù),使偏置電流的大小隨輸入共模電壓的變化而變化。
上述第4種方法的電路不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且對gm的控制也易于實現(xiàn)。因此,本文運(yùn)用了對輸入跨導(dǎo)的控制原理,采用了一種 全新的保持R-R輸入級gm為常數(shù)的電路結(jié)構(gòu)。
電路設(shè)計
本文所設(shè)計的電路如圖2所示,該電路由輸入互補(bǔ)差分對、恒定gm電路、共源共柵求和電路組成。M1~M4構(gòu)成了輸入互補(bǔ)差分對。當(dāng)?shù)凸材]斎霑r,P輸入差分對M1、M4處于工作狀態(tài),N輸入差分對M2、M3截止,開關(guān)管M17 、M18開啟,抽取M16上的電流;M13、M14截止。M15的電流全部流入P差分對,則此區(qū)間的等效差分跨導(dǎo)為:
(5)
當(dāng)共模輸入電壓在中間值附近時, P差分對M1、M4與N差分對M2、M3均導(dǎo)通,控制開關(guān)M17、M18、M13、M14開啟,分別調(diào)節(jié)它們的柵電壓,使其從M15、M16均抽取3/4的電流,則此區(qū)間的等效差分跨導(dǎo)為:
(6)
當(dāng)在高共模輸入?yún)^(qū)時,N差分對M2、M3工作,P差分對M1、M4截止。開關(guān)管M13、M14開啟,抽取M15上的電流,開關(guān)管M17、M18截止,M16的電流全部流入N差分對,則此區(qū)間的等效差分跨導(dǎo)為:
(7)
從上面的分析可知,只要合理選擇四個輸入管子的長寬比,滿足如下關(guān)系:
(8)
&nb
sp; gm就會保持恒定。
M5~M12為共源共柵求和電路。這種結(jié)構(gòu)的輸出阻抗和電壓增益比較高,并且有很好的頻率特性和電源抑制比。經(jīng)過分析可知,該電路結(jié)構(gòu)在互補(bǔ)差分對交替工作的時候,當(dāng)M1,M4與M2、M3不能同時處于飽和狀態(tài)時,引起求和電路M5~M12的靜態(tài)電流發(fā)生變化,使電路的輸出電阻和極點(diǎn)發(fā)生少許改變,從而可能會在過渡區(qū)出現(xiàn)大跨導(dǎo)尖峰,但是,由于這個過渡區(qū)很窄,估計這種大的尖峰不會出現(xiàn),在整個共模范圍內(nèi),輸入跨導(dǎo)基本保持恒定。
圖3 運(yùn)放的跨導(dǎo)仿結(jié)果
仿真結(jié)果
本文采用TSMC公司的0.35mm工藝器件的HSpice參數(shù)模型進(jìn)行仿真,得到下面的結(jié)果。圖3是運(yùn)放的總跨導(dǎo),從圖中可以看出,當(dāng)共模輸入電壓從0V到2V變化時,整個跨導(dǎo)在5%以內(nèi)變化,跨導(dǎo)在中部的變化正如上面所述,是由于 差動對交替工作時,靜態(tài)電流的變化所引起的。
結(jié)語
本文所設(shè)計的運(yùn)算放大器具有2V的電源電壓,150mW的功耗和75°的相位裕度,在整個共模范圍內(nèi),輸入級的跨導(dǎo)基本保持恒定,提高了運(yùn)放的性能指數(shù)。且結(jié)構(gòu)簡單,特別適合作為VLSI的庫單元