基于SMIC 0.18m CMOS混合信號(hào)的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

1 引 言

近年來(lái)，以電池作為電源的便攜式電子產(chǎn)品得到廣泛使用，迫切要求采用低電壓的模擬電路芯片來(lái)降低功耗。在低壓供電條件下， 為了提高運(yùn)放的信噪比、輸入共模電壓范圍及信號(hào)動(dòng)態(tài)輸出幅度， 最好是能做到軌對(duì)軌。放大器的輸出較容易實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌， 但在輸入端實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌是比較復(fù)雜的， 原則上只能是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)才能使輸入端包含電源電壓的軌， 這種技術(shù)是實(shí)現(xiàn)所有軌對(duì)軌輸入放大器的基礎(chǔ)。

輸入級(jí)采用電流控制的三倍電流鏡法， 輸出級(jí)采用浮動(dòng)電流源控制的前饋甲乙類輸出級(jí)， 該電路結(jié)構(gòu)可以克服直接將軌對(duì)軌輸入級(jí)、求和電路、甲乙類輸出級(jí)相連的缺點(diǎn)， 提高了運(yùn)放的增益， 使輸出管的靜態(tài)電流不隨電源電壓及輸入共模電壓的變化而變化， 同時(shí)也降低了電路的功耗， 節(jié)省了芯片面積。

2 恒跨導(dǎo)Rail- to- Rail輸入級(jí)

輸入級(jí)等效跨導(dǎo)的不恒定不僅會(huì)降低運(yùn)放的共模抑制比， 同時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的失真， 而且還會(huì)給后面的頻率補(bǔ)償帶來(lái)困難， 一個(gè)理想的頻率補(bǔ)償要求輸入級(jí)的跨導(dǎo)是恒定的。因而輸入級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵也就是要使得輸入級(jí)的跨導(dǎo)在整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)都保持恒定。顯然MOS互補(bǔ)差分對(duì)管不能滿足要求。如圖1， 這是一種采用電流控制恒跨導(dǎo)的結(jié)構(gòu)， 電路恒定跨導(dǎo)控制部分是由兩個(gè)電流開(kāi)關(guān)管M7、M8， 兩個(gè)電流鏡M5- M6、M9- M10組成。

每個(gè)電流鏡的電流比例關(guān)系是1：3。當(dāng)輸入共模電壓比較低時(shí)， 只有PMOS輸入對(duì)管工作， 電流開(kāi)關(guān)管M 7打開(kāi)， M 8關(guān)閉， NMOS 輸入對(duì)管偏置電流In流經(jīng)開(kāi)關(guān)管M7通過(guò)M9、M10電流鏡放大三倍后與Ip 一起注入PMOS對(duì)管， 假設(shè)Ip = In = I， 則此時(shí)電路跨導(dǎo)等于2√β I; 當(dāng)輸入共模電壓比較高時(shí)， 只有NMOS輸入對(duì)管工作， 電流開(kāi)關(guān)管M8 打開(kāi)， M7關(guān)閉。Ip 經(jīng)電流鏡放大三倍后與In 一同抽取NMOS對(duì)管的電流， 此時(shí)電路跨導(dǎo)仍然等于2√β I; 當(dāng)輸入共模電壓在中間時(shí)， NMOS輸入對(duì)管和PMOS輸入對(duì)管都工作。兩個(gè)電流開(kāi)關(guān)管都關(guān)閉， 此時(shí)電路跨導(dǎo)仍然等于2√β I。通過(guò)電流開(kāi)關(guān)的控制及電流鏡已基本做到在輸入共模電壓軌對(duì)軌的情況下輸入級(jí)的等效跨導(dǎo)保持恒定。但這種恒定發(fā)生在輸入共模電壓接近電源正軌與電源負(fù)軌以及在二者中間，NMOS完全導(dǎo)通或者PMOS完全導(dǎo)通又或者NMOS與PMOS 同時(shí)導(dǎo)通的情況下。但是在兩個(gè)“過(guò)渡區(qū)”， 由于流過(guò)NMOS 輸入對(duì)管或PMOS 輸入對(duì)管的電流小于各自恒流源提供的偏置電流， 開(kāi)關(guān)管打開(kāi)， 并將恒流源提供的偏置電流與流過(guò)NMOS 輸入對(duì)管或PMOS輸入對(duì)管的電流之差通過(guò)電流鏡放大三倍后注入到另外兩個(gè)輸入對(duì)管， 造成流過(guò)NMOS輸入對(duì)管與PMOS輸入對(duì)管的電流之和增大， 使電路等效跨導(dǎo)增大， 增大幅度一般為恒定跨導(dǎo)區(qū)域的15%。此外該電路要求NMOS管與PMOS管的β相等， 即μnCox (W /L) n =μp Cox (W /L) p， 因此要求(W /L) n / (W /L) p =μp /μn。NMOS管與PMOS管的尺寸應(yīng)當(dāng)精確匹配， 但由于工藝以及溫度的影響， μp /μn的比值并不是恒定的， 這又會(huì)對(duì)電路的跨導(dǎo)引入一些誤差。并且由于NMOS與PMOS的失調(diào)電壓不同使電路在整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)的失調(diào)電壓是不同的。但是相比于開(kāi)關(guān)電流方式、冗余差分對(duì)法、恒定電壓方式、動(dòng)態(tài)電平移位法等電路結(jié)構(gòu)， 該電路電流并沒(méi)有?浪費(fèi)#的情況， 降低了運(yùn)放的功耗， 并且此種電路結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單， 容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 恒跨導(dǎo)Rail- to-Rail輸入級(jí)。

3 電流求和電路

電流求和電路與輸入級(jí)的輸入管構(gòu)成折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)， 這種技術(shù)是實(shí)現(xiàn)所有軌對(duì)軌輸入放大器的基礎(chǔ)。

如圖2， 電路中的右半部分為電流求和電路， 電流相加電路把兩對(duì)差分對(duì)的輸出信號(hào)相加， 并且進(jìn)行雙端至單端的轉(zhuǎn)換。由于折疊共源共柵結(jié)構(gòu)具有輸出電阻大、增益大的特性， 電流相加電路同時(shí)相當(dāng)于中間增益級(jí)。其中M5 - M8 組成低壓共源共柵電流鏡實(shí)現(xiàn)雙端到單端的轉(zhuǎn)換， M7- M10與前端的差分輸入對(duì)構(gòu)成折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。此電流求和電路應(yīng)當(dāng)注意連接的極性， 其工作原理如下:

圖2 電流求和電路。

當(dāng)Vin + 增大△V， Vin - 減小△V 時(shí)， I1 增大△I， I2減小△I， I3 減小△I， I4 增大△I。

因?yàn)镮1 增大△I， 所以I9 減小△I， I7 = I9， 所以I7也減小△I; 因?yàn)镮3 減小△I， I5 = I3 + I7， I7 減小△I， 所以I5 減小2△I; 由于電流的鏡像， I5 = I6， 所以I6 也減小2△I; 因?yàn)镮2 減小 △I， 所以I10增大△I; 因?yàn)镮6 =I4 + I8， I6 減小2△I， I4 增大△I， 所以I8 減小3△I; 因?yàn)镮out = I8 - I10， I8 減小3△I， I10增大△I， 所以Iout減小4△I， 實(shí)現(xiàn)了電流求和。

4 Rail- to- Rail輸出級(jí)

甲乙類輸出級(jí)可以通過(guò)跨導(dǎo)線性電路來(lái)偏置，如圖3 為MOS 管耦合前饋甲乙類輸出級(jí)。其中M 1- M4為一個(gè)跨導(dǎo)線性電路， M5- M8 為一個(gè)跨導(dǎo)線性電路， 它們?cè)O(shè)置了輸出管的靜態(tài)電流， 其中M 2- M4為輸出管M1提供偏置， M6- M8為輸出管M 2提供偏置， M4、M8構(gòu)成浮動(dòng)的電壓源， 此電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)甲乙類輸出。

圖3 MOS管耦合前饋甲乙類輸出級(jí)。

Iin1和Iin2是同相的交流小信號(hào)， 當(dāng)Iin1 = Iin2 > 0，節(jié)點(diǎn)A 和B 電壓升高， M5導(dǎo)通， M l截止; 當(dāng)Iin l =Iin2 < 0， 節(jié)點(diǎn)A 和B 電壓降低， M l導(dǎo)通， M5 截止。

設(shè)M2、M3、M4 的尺寸為(W /L ) p， M l的尺寸為a(W /L) p， M6、M7、M8的尺寸為(W /L) n， M5 的尺寸為a(W /L) n，βn =μn Cox (W /L) n，βp =μpCox (W /L) p， 并且所有的MOS管都工作在飽和區(qū)。由電路知:

若0. 5IB2= 0. 5 IB3 = IB1= IB4 = IB， 靜態(tài)時(shí):

ID 4 = ID8 = IB， Ipu ll = Ipu sh = Iq = aIB; 在工作狀態(tài)時(shí):

ID 4≠ ID8， Ipu ll≠Ipush。由式( 3)、( 5)及ID 4 + ID8 = 2 IB可以得出：

可以看出， 當(dāng)推或拉電流的其中一個(gè)是靜態(tài)電流的4倍時(shí)， 另外一個(gè)僅有靜態(tài)電流的0. 34倍。

相對(duì)于簡(jiǎn)單的把軌對(duì)軌輸入級(jí)、求和電路， 甲乙類輸出級(jí)相連， 如圖4所示的浮動(dòng)電流源控制的前饋甲乙類輸出級(jí)有更多的優(yōu)點(diǎn): 首先輸入級(jí)通過(guò)求和電路如果與甲乙類輸出級(jí)直接級(jí)連， 會(huì)造成運(yùn)放增益的降低， 因?yàn)檩敵黾?jí)中兩個(gè)控制管的偏置電流與求和電路中的共源共柵器件并聯(lián)， 因此浮動(dòng)電流源控制的前饋甲乙類輸出級(jí)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)， 它將輸出級(jí)中兩個(gè)控制管的偏置電流由求和電路直接提供， 這樣不僅消除了運(yùn)放增益下降的缺點(diǎn)，而且減少了兩條支路， 降低了整個(gè)電路的功耗， 同時(shí)也節(jié)省了芯片面積; 此外， 對(duì)于普通的前饋甲乙類控制輸出級(jí)結(jié)構(gòu)中提到的輸出管的靜態(tài)電流隨電源電壓的變化而變化的缺點(diǎn)， 該電路也很好的解決了此問(wèn)題。注意到圖中與控制甲乙類輸出的晶體管的浮動(dòng)電壓源M4、M8結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)管子M13、M14，這兩個(gè)管子構(gòu)成了浮動(dòng)電流源， 同樣， M9、M13、M2、M3組成了一個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)路， M16、M14、M6、M7組成了一個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)路。

圖4 浮動(dòng)電流源控制的前饋甲乙類輸出級(jí)。

由于該結(jié)構(gòu)與控制甲乙類輸出的晶體管組成的浮動(dòng)電壓源結(jié)構(gòu)相同， 因此二者對(duì)于電源電壓的依賴是相同的， 所以消除了輸出管的靜態(tài)電流隨著電源電壓的變化而變化的缺點(diǎn)。而且注意到浮動(dòng)電流源還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)于直接將控制甲乙類輸出的浮動(dòng)電壓源?鑲嵌#到求和電路中， 而沒(méi)有浮動(dòng)電流源的電路結(jié)構(gòu)， 隨著輸入共模電壓的變化， 求和電路中每條支路的電流也是變化的。由于控制甲乙類輸出的浮動(dòng)電壓源的偏置電流就是求和電路中一條支路的電流， 由上面的分析， 可知該電流的大小影響輸出管靜態(tài)電流， 因此輸入共模電壓的變化將造成輸出管靜態(tài)電流的變化。相比之下， 對(duì)于浮動(dòng)電流源控制的前饋甲乙類輸出級(jí)， 由于流過(guò)浮動(dòng)電流源的電流是恒定的， 輸入共模電壓變化引起的電流變化會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)M9、M10、M16、M18 管的柵壓調(diào)節(jié)其電流， 由于浮動(dòng)電壓源的偏置電流恒定， 所以輸出管的靜態(tài)電流是恒定的。

5 運(yùn)放總體結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

所設(shè)計(jì)的運(yùn)放整體電路如圖5所示。

圖5 運(yùn)放整體電路圖。

用Spectre仿真器對(duì)該運(yùn)放的各種性能參數(shù)進(jìn)行了仿真。仿真表明在整體輸出上能跟隨輸入， 輸入共模電壓達(dá)到軌對(duì)軌， 僅在輸入信號(hào)接近電源兩軌時(shí)， 輸出與輸入間有誤差， 其最大誤差約為15mV。該運(yùn)放直流開(kāi)環(huán)增益為99dB， 單位增益帶寬為3. 2MH z(負(fù)載電容10pF) ， 相位裕度59° 。此外通過(guò)仿真得到的該運(yùn)放其他性能參數(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)放性能參數(shù)表

6 結(jié)束語(yǔ)

在比較詳細(xì)地分析了恒跨導(dǎo)軌對(duì)軌輸入級(jí)、電流求和電路、軌對(duì)軌輸出級(jí)電路的基礎(chǔ)上完成了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、工藝上容易實(shí)現(xiàn)的恒跨導(dǎo)軌對(duì)軌運(yùn)放的設(shè)計(jì)， 其可以廣泛地應(yīng)用于個(gè)人通信設(shè)備、TFTLCD的電壓參考緩沖器、無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備、各種PDA產(chǎn)品、便攜式電氣產(chǎn)品等低功耗應(yīng)用的諸多場(chǎng)合。