低壓CMOS滿幅度恒定增益運算放大器設計

1 引言

隨著便攜式消費電子需求的日益增長，低壓、低功耗設計已經(jīng)成為集成電路設計的研究熱點之一。趨勢表明[1]，電壓的降低給模擬電路設計帶來很大挑戰(zhàn)。就低壓運放設計而言，一般傳統(tǒng)采用互補差分對輸入級以實現(xiàn)滿幅度輸入范圍，然而，當電源電壓低于vt.nmos+|vt.pmos|+vds，pmos-|vds，pmos|時，差分對會出現(xiàn)截止區(qū)，導致最小電源電壓要高于2個閾值電壓與2個過飽和電壓之和。0.35μm工藝下vt，nmos的典型值為0.52v，vt，pmos的典型值為-0.75v，則傳統(tǒng)結構的最小工作電壓只能在1.4v左右。為了避免采用復雜工藝實現(xiàn)電源電壓低于1v的運算放大器而增加產(chǎn)品成本。見文獻[2-4]的電路結構采用共模電平偏移的電路結構，箝位共模電平，在標準cmos工藝下簡單地實現(xiàn)了低電壓運算放大器。

已有文獻[2]采用pmos差分對來實現(xiàn)電源電壓為1v的運算放大器，但由于vt，pmos的典型值為-0.75v，使得前置反饋電路的工作電平范圍為1-0.15v，幾乎涵蓋整個共模電平范圍，運算放大器的穩(wěn)定性降低，另外，該結構下的折疊式共源共柵結構也會受體效應的影響，影響增益的恒定性。本文采用nmos差分對結構，還對前置反饋電平偏移電路進行相應的改進，使電源電壓降為0.9v的同時，提高了增益的恒定性。

2 設計的基本思路

基于前置反饋的電平偏移電路的設計如圖1，vi+，vi-的共模電平vi，cm低于vref時，通過反饋電路控制電流源獲得適當?shù)碾娏鱥，vin+，vin-的共模電平vin，cm提升到vref，同時電阻傳遞完整的差模信號，再由vin+，vin-連接nmos差分對來實現(xiàn)整體電路，如圖1所示。

3 運算放大器的具體實現(xiàn)

反饋電路的實現(xiàn)如圖2所示，其反饋過程如下：vi+，vi-的共模電平vi，cm降低時，vin+，vin-的共模電vin，cm降低，此時idm1減小，idm11增大，vx點的電位升高，idm8增大，電阻的端電壓增大，vin，cm升高。若vref過高，由于ib的大小和電流鏡工作電壓的限制，vin，cm不會上升到vtel的電平。為了m5與m6，m7的漏源電壓近似相等，引入m12增強電流鏡的匹配。

下面對反饋環(huán)路的穩(wěn)定性進行分析，運放a的開環(huán)增益為：

av2=gmt9（rot9//rot10） （7）

其中，gmt1，gmt6，gmt9分別為mt1，mt6，mt9的跨導，rot4，rot6，rot9，rot10分別為對應mos管的輸出電阻。