（电力电子与电力传动专业论文）cmos低压微功耗折叠式共源共栅运放设计.pdf

江苏大学硕士学位论 ab s t r a c t i nt h er e s e a r c ho fb i o l o g y ，i n t e g r a t e dc i r c u i t sm u s tw o r ki nl o wv o l t a g ea n dl o w s t a t i cc u r r e n t t h el o w v o l t a g ea n a l o gc i r c u i t s ，o nt h eo n eh a n d ，c a no b t a i nt h el o w p o w e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h e yc a ni n c r e a s et h es t a b i l i t yo fc i r c u i t s s oi t i sv e r y i m p o r t a n tt od e v e l o p m i c r op o w e rd i s s i p a t i o ni ci nt h ee l e c t r o n i ci n d u s t r u y t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，a st h eb a s i cc o m p o n e n ti na na n a l o gs y s t e ma n d m i x e d s i g n a ls y s t e m ，c a ng r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi ci ns y s t e ml e v e l t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fl o w - v o l t a g ea n dm i c r op o w e ro p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sv e r y n e c e s s a r y t h et h e s i sh a dd o n et h ew i d e s p r e a di n v e s t i g a t i o na n ds t u d yt ot h ed o m e s t i ca n d f o r e i g n st e c h n o l o g i e so fa n a l o g yl o wv o l t a g ea n dl o wp o w e r ，a n da n a l y z e dt h e p r i n c i p l e so fw o r k ，m e r t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h e s et e c h n o l o g i e s ，b a s e d o nt h e p r i n c i p l eo f o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，i n t r o d u c et h es c h e m a t i c so f t h ei n p u t ，o u t p u ts t a g e a n db i a sc i r c u i t s o nt h i sb a s i s ，d e s i g n e dap o w e rs u p p l yv o l t a g eo fo 7 5vl o w v o l t a g em i c r op o w e ra n dr a i l t o - r a i lc m o so p e r a t i o n a la m p l i f i e r w h e nd e s i g n i n g i n p u ts t a g e ，i no r d e rt oo b t a i nal a r g eo u t p u ts w i n g ，i tu s e dl o wv o l t a g ef o l d e d e a s c o d e s t r u c t u r e i nt h eb i a sc i r c u i td e s i g n ，t h ec u r r e n tm i r r o rl o a dd i dn o tu s et h et r a d i t i o n a l s t a n d a r dc a s c o d es t r u c t u r e ，b u tu s e dt h el o wv o l t a g e ，w i d e s w i n gc a s c o d es t r u c t u r e w h i c hw a ss u i t a b l et ow o r ki nl o wv o l t a g e i nt h i sp a p e r ，t oc h a n g et h et r a d i t i o n a l o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，b a s e dr e f e r e n c es o u r c ed e s i g nm e t h o d ，u s i n gac u r r e n tm i r r o r l o a dd i f f e r e n t i a la m p l i f i e rd e s i g n e dar e f e r e n c ec u r r e n ts o u r c e ，t op r o v i d eas t a b l eb i a s c u r r e n ta n db i a sv o l t a g et oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r w h e n d e s i g n i n go u t p u ts t a g e ，i no r d e r t oo b t a i nh i g h e rp o w e re f f i c i e n c y ，u s eo ff e e d - f o r w a r d c l a s sa bp u s h - p u l lo u t p u ts t r u c t u r e ，i tw a sa b l et oa c h i e v ef u l l s w i n gi nt h el o w v o l t a g e r a i l t o r a i lo u t p u t a n du s e dt h em i l l e rc o m p e n s a t et e c h n o l o g yw i t ha a d j u s t i n gz e r or e s i s t a n c et oc o m p e n s a t et h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h ec i r c u i td e s i g ni sr e a l i z e di nc s m co 3 5l a mc m o st e c h n o l o g ya n dh s p i c e s i m u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti tc o n s u m e so n l y3 6l x w ，a c h i e v e st h ed co p e n g a i no f10 6d b ，t h eu n i t y - g a i nf r e q u e n c yo f3 6 0 k h za n dt h ep h a s em a r g i no f6 8 。w i t h t h es a m el o a d a l lo fp r e d e f i n e ds p e c i f i c a t i o n sa r es a t i s f i e dw i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l t s k e yw o r d s ：l o wv o l t a g e ；m i c r op o w e r ；a n a l o gi c ；f o l d e d ；r a i l - t o - - r a i l ；c m o s o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用奉授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位敝作者虢；哟 签字同期：h o 年占月，立日 导师签名： l - ，、 审互 签字日期：旦df 。年占月l 叉e 1 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ；份撬 日期：矽，矿年6 月p 日 江苏大学硕士学位论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 半导体器件的发展历史可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，当时由两位研究人员 l i l i e n f e l d 和h e i l 率先提出了金属氧化物半导体( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ： m o s ) 场效应晶体管( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ：f e t ) 的概念。此后，到了2 0 世纪 7 0 年代末期，双极型( b i p o l a r ) 晶体管技术已成为领导潮流的模拟电子技术。 在1 9 8 0 年前后，通过多年的奋起直追，m o s 技术才终于扭转这一局势，且当时 在双极型晶体管技术和m o s 器件共用技术之间存在着交叉的现象。随后科学家 们发现，互补金属氧化物半导体( c o m p l e m e n t a r ym o s ：c m o s ) 器件以其低功 耗、高集成度和设计简单等众多优良特性而拥有更为广阔的应用前景。 在同一衬底上设置多个电子元件的思想是在2 0 世纪5 0 年代后期提出的。过 去的4 0 多年里，这种技术已经从生产只包含少量元件的简单芯片发展到了制作 容纳1 0 亿个以上晶体管的存储器和由1 0 0 0 万个以上元件组成的微处理器。j 下如 i n t e l 公司的创始人之一戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 在2 0 世纪7 0 年代初所预言 的那样，每个：醛片上的晶体管的数量大约每1 8 个月翻一番。同时，晶体管的最 小尺寸也从1 9 6 0 年的2 5p m 下降到2 0 0 0 年的o 1 8 l m ，从而使集成电路( i c ) 的速度得到了很大的提高。 自2 0 世纪7 0 年代初期开始，功耗开始成为数字电路设计过程中所关注的问 题之一。然而，当时的设计思路主要还是侧重于使电路能够提供高速运算并尽可 能使占用面积小，因此所采用的设计工具都是为了上面两个目标的最终实现而服 务的。从2 0 世纪9 0 年代初起，在个人电子消费品市场上，半导体工业经历了便 携式系统前所未有的供需增长。各种类型的高性能便携式产品，从寻呼机、蜂窝 电话这样的个人手持通信设备，直至那些体型大，设计更为复杂且支持多媒体应 用的电子产品( 典型的如膝上和掌上电脑) ，无一例外地受到了广大消费者的空 前喜爱，因此创造了相当辉煌的销售业绩。在不久的将来，个人电子消费品市场 上接近半数的市场份额将会由便携式设备占据。 过去，无论足考虑到极度复杂的制作工艺，还是加工所需的高昂成本，都使 得采用c m o s 和b i c m o s ( b i p o l a rc m o s ) 技术的低功耗电路设计及其应用， 江苏大学硕士学位论 只能局限于电子表、袖珍计算器、起搏器以及某些集成传感器这样的对低功耗要 求苛刻的产品中。然而时至今日，低功耗设计已经成为所有高性能电子设备必须 遵循的规范，凶为功耗算得上是影响设计的最重要的因素。尽管设计人员依据所 要设计的电子产品，可以提出各种需要降低功耗的理由，但是追求系统总功耗最 小化已成为他们需要优先考虑的问题。之所以出现这种趋势，最为重要的一个原 因就是便携式电子设备的问世l l 卅。 1 2 国内外研究现状及发展方向 运算放大器( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ：o p a m p ) 简称运放。最早在19 4 7 年 5 月r a g a z z i n i e t a l 的一篇论文中被引用，其作为线性电路中一种最通用、最重要 的单元电路已经被运用到各种电子系统之中，成为各种模拟信号处理和测试设备 中的基本元件，如运用在加法、减法、微分、积分、采样保持、有源滤波器等电 路中。 在国内，由于受到工艺条件、基础研究与设计水平的限制，运放的技术发展 缓慢。在c m o s 低压、低功耗特别是微功耗运放的研究方面才刚刚开始。近几 年，国内一些高校，如复旦大学、东南大学、西北大学等相继开展了这方而的研 究与设计，但由于电路结构限制等原因，其性能并没有显示出优势，所以也没有 形成产品进入市场。 国外各大设计与制造公司在其研究方面一直在不断的发展，新型的电路结构 设计、对特殊参数要求的新产品不断面市，特殊行业的高性能运放也日- 匕i - , ，z t e k l 快地没 计与生产。一方面，这与其多年来的研究积累有很大关系；另一方面，也与其对 通用新型电路的重视分不开。 1 3 低压低功耗设计的限制因素 ( 1 ) 从电子设备设计人员的角度来看，业内有一种说法，即“电源电压越 低越好”。尽管动态功率主要取决于电源电压、杂散电容和工作频率，但总电源 电压的影响还是居于主导的地位。因此，伴随着总电源电压的降低，电路的功耗 也会大幅度减少。然而，电压的降低也会随之引起一系列的问题。例如，低电源 电压本身就直接限制了模拟电路的动态范围。低电源电压加上相对大的输入输出 电容，也严重影响模拟放大器的转换速率、增益带宽等参数。降低电源电压将使 i c 的结电容增大、驱动电流减小，从而影响电路的性能；另一方面，工作电压 2 江苏大学硕士学位论 降低到一定值时，将使电路中多个串联的开关管的导通电阻增大、导通压降增加， 甚至不能导通，从而使电路失去了j 下常的逻辑功能。 ( 2 ) 与电源电压比例降低相关的另一个因素就是阈值电压。在低电源电压 的情况下，较低的闷值电压有利于保持性能的变化趋势。然而，闽值电压的降低 会导致切断电流的剧烈增加，因此阈值电压下限的设计应充分考虑到电路的运算 稳定性以及功耗等制约因素。除此之外，必须对阈值电压加以严格控制，从而使 之与电源电压保持适当的比例。 ( 3 ) 时代不停的发展，人们对于高速、低功耗和高集成度的不懈追求也从 未停止过；同时，人们希望将电子设备的尺寸设计得更紧凑、小巧。随着电子消 费品市场朝着集成规模更大的方向发展，降低电压的发展趋势同样使尺寸减小后 的i c 器件的可靠性不断提高f 7 一。 1 4 论文章节安排 论文的主要工作是针对前面所涉及的| u j 题来设计低压、微功耗的运放电路， 因此按照如下的结构组织论文的章节内容： 第一章是绪论。介绍了课题的背景及意义，国内外的发展状况和低压、低功 耗设计的限制因素。 第二章简要介绍了c m o s 器件的模型和工作特性，这是设计c m o s 模拟集 成电路的基础。 第三章介绍了运算放大器的性能指标。 第四章介绍了模拟电路低压、低功耗的设计方法。 第五章介绍了c m o s 运放的基本结构和低压低功耗的基本问题，并给出了 具体的设计方案。对低压微功耗运放的输入级、输出级、偏置电路和补偿电路做 出了具体的分析。 第六章使用h s p i c e 对设计的运算放大器进行具体的仿真。 最后在结论中给出论文设计的结论与成果，并对文中所做的工作进行了总 结。 江苏大学硕士学位论 第二章运算放大器的设计基础 对于任何c m o s 电路的设计者来说，都需要首先对m o s 器件的性能有一个 充分的了解。因此，本章首先以n m o s 器件为例，对m o s 器件的性能做一个具 体介绍，然后对低压、微功耗课题所涉及的电源电压低、耗散功率小的特殊要求 进行分析讨论。 2 1m o s 器件的基本特性 在现代的模拟i c 设计中，必须充分地掌握半导体器件的知识。在数字i c 设 计中，设计工程师们着重考虑的是电路的速度和功耗，使用晶体管的一级模型就 可以较为精确地仿真数字电路的性能。而在模拟电路的设计中，晶体管的许多二 级效应直接影响到电路的性能，设计工程师要考虑更多的因素，如增益、噪声、 电压摆幅和线性度等。因此，深入了解器件的工作情况对模拟设计而言是非常有 益的。 2 1 1m o s f e t 的结构和大信号特性 结合所用的上华科技( c s m c ) o 3 5 mc m o s 工艺参数，扼要介绍m o s 场 效应管( m o s f e t ) 的特性。图2 1 和图2 2 分别是n 沟道增强型m o s 管的剖 面图及其输出特性曲线。 图2 1 小u o s 和强反型时n m o s 管剖面图 图2 2n m o s 管的i - u 特性 1 c m o s 管的强反型区 当m o s 器件的栅源电压大于阈值电压时，称之为强反型状态。当u d s r g s 一时，器件进入饱和区，这里u d s 和分别指m o s 管的漏源电压和阈值 电压，改g s 指m o s 管的栅一源电压。事实上，在m o s 运放设计中，大部分的m o s 4 江苏大学硕士学位论 器件都是工作在饱和状态，因为对于给定的漏极电流和器件尺寸来说，工作在饱 和区可以提供稳定的电流和比较大的电压增益。在饱和区，m o s 器件的漏极电 流硒和栅源电压s 的关系由下式决定： 而= j 1 n c o 。i w ( s 一昕h ) 2 = 凤( s 一) 2 ( 2 一1 ) 式中n 为n m o s 沟道中电子迁移率，c 似为栅氧化区单位面积电容( f c m 2 ) ， w 为有效沟道宽度，三是有效沟道长度，抵为n m o s 管的导电因子。 在模拟电子电路中，m o s f e t 的跨导g m 是一个重要的参数。根据上式可求 得m o s f e t 在饱和区静态工作点处的小信号跨导： 踟2 急确g x 等c 一2 去 2 ) 或者 踟=、瓢2,uc o x w ( 2 - 3 ) 可见m o s f e t 的饱和区的跨导g m 不仅与它的工作电流f d 有关，而且可通过选择 器件尺寸彬仡加以改变。正因为如此，使m o s 模拟i c 的设计更为灵活。 当s ，0 u d s 3 0 0 k h z 相位裕度( p h a s em a r g i n ) 6 0 。 转换速率( s l e wr a t e ) 5v m s 乓模抑制比( c m r r ) 1 0 5d b 功耗( p o w e rd i s s i p a t i o n ) 6 t a w 输出电压摆幅( o u t p u ts w i n g ) 1 5v 1 4 9v 5 3 2 运放的结构选择 结合上述性能指标，选择运放电路的结构时，需综合考虑设计上的要求，如： ( 1 ) 工作电压低，提高信一噪比，要求输出摆幅能达到轨对轨的范围；对于 某些更高的要求，会提出共模输入电平也要实现轨对轨的范围。 ( 2 ) 为了达到高增益，需要采用共源一共栅运放结构，这样限制了输出摆幅。 为此，选用两级运放：第一级提供高增益，第二级提供轨对轨的输出摆幅。这样 的两级结构可以兼顾电压增益和输出摆幅的要求。一般很少使用多于两级的运放 结构，因为那样很难保证系统的稳定性。 ( 3 ) 为了使运放能够达到降低功耗的目的，第一级电路选用折叠式共源一 江苏大学硕士学位论 共栅运放( f o l dc a s c a d eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r ) 结构，输出级采用前馈式a b 类推 挽输出结构。 ( 4 ) 两级结构需要采用频率补偿技术来保证系统的稳定性，因而补偿电路 是必不可少的1 4 2 4 3 1 。 最后得到的运放总体结构为两级套简式共源一共栅轨对轨输出运算放大器。 5 4 输入级设计 在运放的设计中，输入级的设计是至关重要的，输入级的主要目的是放大差 分信号并抑制共模信号。运放输入级的一个重要参数是其共模输入电压范围，如 果共模电压处于这个范围当中，则运放能正常地放大差分信号。 5 4 1传统差分输入级结构 传统运算放大器的输入级一般部采用电流镜负载的差分对。如图5 2 所示。 n m o s 器件m l 和m 2 作为差分对管，p 沟器件m 4 和m 5 组成电流源负载。电流f o 提供 差分放大器的工作电流。如果m 4 和m 5 相匹配，那么m l 电流的大小就决定了m 4 电流的大小。这个电流将镜像到m 5 。如果u g sj 等于甜g s 2 ，则m l 和m 2 的电流相同。 这样由m 5 通过m 2 的电流将等于是f o m 为零时m 2 所需要的电流。如果u g s l 大于u g s 2 ， 因为i 0 是f d l 与f d 2 之和，抽l 相对于锄要增加。f d l 的增意味着f d 3 与f d 4 也增大。但是， 当u g s i 变的l 卜, u o s 2 大时，锄应减小。因此，要使电路平衡，f o 。必须为正。反之， 如果u g s i 变的l t u o s 2 小时，那么站。将变成负值。输出电流等于差分对管的差值， 其最大值为i o 。这样就使差分放大器的差分输出信号转换成单端输出信号。 图5 2 传统放大器的差分输入级 由于传统的差分电路的增益有限，如欲获得高增益，可用三种方法提高增益： ( 1 ) 增设附加增益级；( 2 ) 增大第一级或第二级电路的跨导；( 3 ) 提高从第 江苏大学硕士学位论 一级或第二级看入的输出电阻。第一种方法可能造成电路的不稳定，且增加了芯 片的面积和电路的寄生效应，一般不采用。对于后两者，第三种方法在现代c m o s 运放的设计中采用得较多。因此，运放电路多采用共源一共栅结构来提高电压增 益。通常情况下，采用共源一共栅结构的输入级电路主要山折叠式和套筒式运放 两种结构形式4 4 1 。 5 4 2套筒式输入级结构 套筒式输入级如图5 3 所示，n m o s 管m 卜m 2 为差分输入对管，它采用共源一 共栅结构来增加电路的增益，但是其代价是要消耗更多的电压余量。主要表现在 输h 端电路的输出摆幅相对于相同条件下的差分结构来讲，其值要小一些。其输 出摆幅为： d 一( 甜o d l + ”o + 甜o d l o + i o i ) 5 l + i - o d 7 ) ( 5 - 1 ) 对于现在的低压电路来说，这种缺点就表现得尤为紧要。套筒结构还有一个 问题，就是输出信号不但不能直接反馈到输入端，而且必须采用共模反馈来保证 电路的稳定性。 为了进一步了解套筒式运放的性能，借助图5 4 所示的简化模型来计算电路 的增益。根据增益计算公式，套筒式运放电压增益为： 彳= g m l ( 厂o p ) ( 5 2 ) r ) l s s 图5 3 套筒式输入级电路 f - - u l 2 4 v d d v s s 图5 4 套筒式简化电路 江苏大学硕士学位论 其中： 厂呷= 厂0 7 + r 0 5 ( 1 + r 0 5i 0 7 ) ( 5 3 ) r o n ：r o l + r 0 3 ( 1 + ，0 3 ，0 1 ) ( 5 4 ) 化简上述两式，得： r o p = r 0 5g i n 5r o t ( 5 5 ) t o n = r 0 3g m 3r o l ( 5 6 ) 则增益可以表示为： 爿= 踟l ( r 0 5g i n 5r 0 7 7g i n 7r 0 1 ) ( 5 7 ) 5 4 3折叠式输入级结构 为了改变套筒式运放较小的输出摆幅和难以使输入与输出短接的缺点，同时 又要有套筒式输入级同样高的增益，可以采用折叠式共源一共栅运放，如图5 5 所示，这种结构主要的优点在于对电压电平的选择，它在输入器件上端并不“层 叠( s t a c k ) 一个共源一共栅m o s 管。 n v s s 图5 5 折叠式共源一共栅运放i 乜路 由图5 5 可以看出，其输出摆幅的最小值为： u o u t ( m i n ) 2 甜o d l + 2 u o m 输出摆幅的最大值为： u o u l ( m a x ) = v d d l1 1 0 d 5i + i o d 7 2 5 ( 5 - 8 ) ( 5 - 9 ) 江苏大学硕士学位论 因此，运放每一边的两峰值之摆幅为： d 一( o d l + 的d 3 + l d o d 5 l + i o d 7 i ) ( 5 1 0 ) 与上面介绍的图5 3 的套筒式运算放大器的最大输出摆幅相比，摆幅大了一个过 驱动电压的d 。 根据图5 5 所示，电路的输出电流约等于晶体管m l 的漏电流，并且从晶体 管m i 看入的阻抗大大低于l o r o l o ，即： ( g m l + g m b i ) 1r o l r o l t 0 3 9 0 6 ( 5 1 1 ) 因此，有g m = g m 3 ，而： = ( g m 5 + g m b 5 ) r o s r 0 7 ( 5 1 2 ) 由此得到： 彳= g m l 0 ( g m 5 + g m b 5 ) 5 厂0 7 ( g m 3 + g m b 3 ) ( 1 0 r 0 1 ) ) ( 5 1 3 ) 比较式( 5 - 7 ) 和( 5 1 3 ) ，可以得出折叠式运放的增益小2 3 倍。但其折叠点的 极点比较靠近极点，使得单位带宽更窄，但这可以通过频率补偿来改变。 在陶5 5 的折叠式共源一共栅运放结构中，采用的是p m o s 器件作为输入对 管，而相对于n m o s 对管而言，它的跨导是相对比较低的。 5 4 4宽摆幅共源一共栅电流镜电路 为了提高电压增益，流行的技术是使用共源一共栅( c a s c o d e ) 结构的电流镜 负载。般地，m o sc a s c o d e 电流镜的结构如图5 6 所示。由于m 2 、m 4 管的加 入，这种电流镜的小信号输出电阻为： r o = r 0 2 1 + i 1 2 + g m b 2 ) r 0 1 + r o l ( 5 1 4 ) m l 和m 2 均线性区 ( a ) 电路图 ( b ) 卜“特性 图5 6c a s c o d e 电流镜电路图和卜甜特性 2 6 江苏大学硕士学位论 一般地，粗略计算凡约为： r o g m 2 r 0 2r o l ( 5 一1 5 ) 可见，相对于一般的电流镜负载，c a s c o d e 结构的输出电阻提高了约g n at 0 2 倍。对于器件而言，如果g r i d x r 0 2 = 5 0 ，输出电阻可以提高5 0 倍，可见c a s c o d e 结构的优点。但是图5 6 电路的缺点在于输出摆幅的降低。由伏安特性可以看出， 电路的最低工作电压是+ 2 u o d ，如果电压再降低，m 2 管将进入线性区，恒 流源的输出电阻会降低，这样电路的增益就会下降。即： u o u “m i n ) - - u m + 2 u o d ( 5 1 6 ) 实际上，可以经过特殊的电路使输出摆幅增大，这就是下面介绍的宽摆幅共 源一共栅电流镜。 在低压应用中，为了提高输出摆幅，电流镜负载一般使用低压宽摆幅共源一 共栅结构4 卯，如图5 7 所示。宽摆幅是指电流镜最小工作电压是两倍的过驱动电 压的d ，也称为饱和电压u d 。越。 很明显，因为g s 3 = u t h + u o d ，由m 5 的伏安特性得到： 崛s 2 u r n + 场 仔 图5 7 宽摆幅共源一共栅电流镜 因为： ( ，= 丢( 警) 。 ( 5 _ 1 8 ) 将式( 5 1 5 ) 代入式( 5 - 1 4 ) ，并化简之，得： g s 5u r n + 2 u o d ( 5 1 9 ) 这样就得到m 2 的栅极电位为：圻h + 2 ”o d ，m 2 管处于饱和区的条件是： 江苏大学硕士学位论 d s 2 g s 2 - - u t ( 5 2 0 ) 即有： j d s 2 u t h + 2 u o d - - u o d - - u - r 2u o d ( 5 21 ) 这样得到，电流镜总的输出电压为： u o - - 2 u o d ( 5 2 2 ) 可见，该电路结构比普通的共源一共栅结构更能获得大输出摆幅。 5 4 5差分输入级的设计 从以上几节对运算放大器的输入级结构的分析，介绍的三种结构的电路( 基 本的差分电路、套筒式运放电路、折叠式运放电路) 在3v 条件下都可以正常工 作，但是基本的差分对输入级的增益比较小，不能满足本运放对增益的要求，套 筒式输入级结构采用共源一共栅结构使增益比较的高，并日套筒式结构的运放结 构使用的器件较少，能够满足设计对功耗的要求，但是它的输出电压摆幅比较的 小，最重要的是其输入很难和输出以短路的方式实现单位增益缓冲器，限制了该 结构的应用。折叠式输入级结构虽然消耗了比套筒式输入级结构更大的功率，并 且增益也比套筒式输入级要低2 3 倍，但是其对输入共模电平的可选择性，大的 输出摆幅，输入和输出可短接的优点，使得所设计的运放输入级仍然采用折叠式 共源一共栅结构。具体的电路如图5 8 所示。 v d t ) v s s 图5 8 低压折叠式共源一共栅运放电路 2 8 江苏大学硕士学位论 m 9 、m l o 为p m o s 差分输入对，m i 、m 2 提供输入器件的偏置电流，m 3 、 m 4 与m 9 、m l o 形成输入共源一共栅器件。m 5 、m 7 、m s 、m l l 构成的低压共源一 共栅电流镜把双端输出转换成单端输出。该电路的主通路上的晶体管工作在哑阈 值区，即m