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文档简介

第第页一种轨至轨输入的低压低功耗运放的设计引言

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。

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:

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。同理，NMOS差动输入级的共模输入电压范围可表示为：

式中，VGSN为NMOS的栅源电压。如果将PMOS和NMOS差分对互补连接使用，就可以使运放的输入共模范围变为：

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示意图。

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。

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:

gm就会保持恒定。

仿真结果

本文采用TSMC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，15

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