具有恒定跨导的Rail-to-Rail CMOS

运算放大器设计指导

陈 斯

(徐州师范大学物理系电子科学教研室)

注：文章中有很多关于MOS方面的基础知识，可能对于你们来说比较陌生，可以去找一些关于这方面的书籍看看。下学期我会给你们做专门的讲解的。你们先作个大概的了解，并确定具体的方向。

1 引 言

近年来，随着集成电路工艺尺寸的不断减小，低电压的发展趋势越来越快。下图为半导体工艺与电源电压的关系。从图中可以看出，电压随着工艺最小尺寸的减小而不断降低。电压减小的原因是因为尺寸的减小导致了器件的击穿电压的减小。此外数字电路的功耗正比于电源电压的平方，因此，为了减小功耗必须降低电源的电压。但是从模拟电路设计者来看，电源电压的减小会导致模拟信号动态范围的减小。如果MOS管的域值电压随着电源的降低而等比减小的话，动态范围就不会受到严重的影响。但由于数字逻辑的原因，域值电压不能大幅地减小 ，所以低电压会对电路的设计带来一定的影响。

2 一般原理

在模拟电路和数模混合电路中，对于低电压的追求逐渐成为集成电路的一种时尚。然而低电压导致了运算放大器输入共模范围的降低，传统的PMOS或NMOS差分对输入已不能满足大的输入共模范围的要求。

为解决这一瓶颈，rail-to-rail运算放大器随之而产生。通常的Rail-to-Rail运放采用两级结构，运放的输出级可以采用简单的class-A或class-AB来实现，难点在于输入级的设计。输入级一般采用PMOS和NMOS并联的互补差分结构，但其跨导在整个共模输入范围内变化两倍。这种跨导的变化不仅影响环路的增益, 也会影响运放的频率补偿。同时，由于输入信号

是rail-to-rail，具有很高的信噪比，因此要求整个rail-to-rail运放的输入级保持恒定的跨导(gm)。

一般来说，运算放大器的输入级都采用差分放大器的输入模式。在CMOS工艺中，差分放大器可以通过PMOS或NMOS的差分对来实现。如图1，这是一个采用NMOS差分对作为输入级的电路。从图中可以得到，NMOS差分对的共模输入范围为

VSS?VCM?Vdsat?Vgsn (1)

式中Vgsn分别为NMOS的栅源电压，Vdsat为电流源的漏源饱和电压。

VDD下一级电路VcmVin+M1M2Vin-VgsnVgsnIbVdsatVdsatVSS

图1 NMOS差分对共模输入范围

简单的差分对不能满足rail-to-rail共模输入的需求，解决这一问题的最简单的方法是同时使用NMOS和PMOS差分对即互补差分对，如图2所示。低共模输入时，PMOS差分对工作在饱和区，NMOS截止；高共模输入时，NMOS差分对工作在饱和区，PMOS截止。从图2易知，NMOS差分输入对M1、M2的输入能够达到正电源电压；PMOS差分输入对M3、M4可达到负电源电压。输入级所需最小电源电压为

Vsup?Vsgp?Vgsn?2Vdsat (2)

式中Vsgp、Vgsn分别为PMOS、NMOS的栅源电压，Vdsat为电流源的漏源饱和电压。当电源电压大于或等于Vsup时，互补差分对输入级可以正常工作，其共模输入范围为[2]VSS≤VCM≤VDD。因此，这种互补差分对输入级可以满足rail-to-rail共模输入范围。

VDDIbVcmVin+M3M1M2VgsnVcmIbVdsatVSSM4Vin-VspnVcmVdsat

图2 PMOS/NMOS互补差分对共模输入范围

但不幸的是，这种典型的PMOS/NMOS互补差分对有一个致命的缺陷：在整个共模输入范围内，输入电路的总跨导不恒定。图2中，在输入共模电压为低电平时，PMOS差分对处于工作状态，NMOS差分对截止；输入共模电压为高电平时，NMOS差分对处于工作状态，PMOS差分对截止。而输入共模电压在中间值时，两对差分对同时工作，跨导是其它部

分的2倍，如图3所示。跨导的变化会引起信号的失真并给环路的增益以及运放的频率补偿带来很大的影响。因此要求输入级的跨导在整个共模输入范围内保持恒定。

上图是NMOS差分对的跨导与输入共模电压的关系，下图是PMOS差分对的跨导与输入共模电压的关系。

把上面的两个图叠加在一起就得到图3，可以明显地看到，在两对MOS管同时导通时，其总跨导是其它部分的2倍。

gmP差分对工作P和N差对同时工作gmT，gmn和gmp之和N差分对工作gmngmp

图3 互补差分对跨导与输入共模电压的关系

VSSVi,cm输入共模电压VDD3 跨导恒定技术

首先，我们要给出一个电路的总跨导gm,np的表达式。设图2中的所有MOS管工作在饱和区，那么电路的总跨导为