如何设计出一种轨至轨输入的低压低功耗运放？

　　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。
　　理论模型
　　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：
（1）
　　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：
（2）
　　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：
（3）
　　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 基本轨至轨输入电路图2 低压低功耗运算放大器电路
　　跨导恒定结构
　　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：

　　或者
（4）
　　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。
　　目前，可保证R-R输入级的gm恒定不变的设计方法主要有以下几种：1. 采用双极（BJT）线性互补差分对形式的输入级。 2. 由齐纳二极管将P、N差分对的偏置电流连起来实现。 3. 采用冗余的差分对来实现。4. 用电流镜技术，使偏置电流的大小随输入共模电压的变化而变化。
　　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：
（5）
　　当共模输入电压在中间值附近时， P差分对M1、M4与N差分对M2、M3均导通，控制开关M17、M18、M13、M14开启，分别调节它们的栅电压，使其从M15、M16均抽取3/4的电流，则此区间的等效差分跨导为：
（6）
　　当在高共模输入区时，N差分对M2、M3工作，P差分对M1、M4截止。开关管M13、M14开启，抽取M15上的电流，开关管M17、M18截止，M16的电流全部流入N差分对，则此区间的等效差分跨导为：
（7）
　　从上面的分析可知，只要合理选择四个输入管子的长宽比，满足如下关系：
（8）
　　gm就会保持恒定。
　　M5”M12为共源共栅求和电路。这种结构的输出阻抗和电压增益比较高，并且有很好的频率特性和电源抑制比。经过分析可知，该电路结构在互补差分对交替工作的时候，当M1，M4与M2、M3不能同时处于饱和状态时，引起求和电路M5“M12的静态电流发生变化，使电路的输出电阻和极点发生少许改变，从而可能会在过渡区出现大跨导尖峰，但是，由于这个过渡区很窄，估计这种大的尖峰不会出现，在整个共模范围内，输入跨导基本保持恒定。

　　图3 运放的跨导仿真结果
　　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，150mW的功耗和75°的相位裕度，在整个共模范围内，输入级的跨导基本保持恒定，提高了运放的性能指数。且结构简单，特别适合作为VLSI的库单元。