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发布时间：2019-08-27 03:34:52

引言

电源电压逐步下降，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须。本文所设计的具有轨至轨(R-R)输入功能的低压低功耗CMOS运算放大电路，在各种共模输入电平下有着几乎恒定的跨导，使频率补偿更容易实现，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，运算放大器的输入级设计是非常重要的。传统的PMOS差动输入级的共模输入电压范围VCM可表示为:

跨导恒定结构

图1所示的轨至轨输入级电路采用互补折叠式结构，使共模输入电压可以在整个从地到电源电压的范围内工作，如果输入级工作在饱和区，电路的跨导由下面的公式确定：

式中mn和mp分别代表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电流的变化而变化。因此，当共模输入电平从VDD到VSS变化时，轨至轨输入差分对的跨导从PMOS差分对的跨导变化到PMOS+NMOS差分对的跨导之和，再变化到NMOS差分对的跨导。中间部分跨导gm几乎是其它部分的一倍，这种跨导的变化会使运放的增益误差发生变化，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恒定不变的设计方法主要有以下几种：1.采用双极(BJT)线性互补差分对形式的输入级。2.由齐纳二极管将P、N差分对的偏置电流连起来实现。3.采用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化而变化。

上述第4种方法的电路不仅结构简单，而且对gm的控制也易于实现。因此，本文运用了对输入跨导的控制原理，采用了一种全新的保持R-R输入级gm为常数的电路结构。

电路设计

本文所设计的电路如图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的电流全部流入P差分对，则此区间的等效差分跨导为:

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，分别调节它们的栅电压，使其从M15、M16均抽取3/4的电流，则此区间的等效差分跨导为:

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***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的静态电流发生变化，使电路的输出电阻和极点发生少许改变，从而可能会在过渡区出现大跨导尖峰，但是，由于这个过渡区很窄，估计这种大的尖峰不会出现，在整个共模范围内，输入跨导基本保持恒定。

仿真结果

本文采用T***C公司的0.35mm工艺器件的HSpice参数模型进行仿真，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变化时，整个跨导在5%以内变化，跨导在中部的变化正如上面所述，是由于差动对交替工作时，静态电流的变化所引起的。

结语

本文所设计的运算放大器具有2V的电源电压，150mW的功耗和75°的相位裕度，在整个共模范围内，输入级的跨导基本保持恒定，提高了运放的性能指数。且结构简单，特别适合作为VLSI的库单元

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