一种宽带轨对轨运算放大器设计

设计了一种宽带轨对轨运算放大器，此运算放大器在3.3 V单电源下供电，采用电流镜和尾电流开关控制来实现输入级总跨导的恒定。为了能够处理宽的电平范围和得到足够的放大倍数，采用用折叠式共源共栅结构作为前级放大。输出级采用AB类控制的轨对轨输出。频率补偿采用了级联密勒补偿的方法。基于TSMC2.5μm CMOS工艺，电路采用HSpice仿真，该运放可达到轨对轨的输入/输出电压范围。

　　引言

　　近年来，基于CMOS技术的低压、低功耗便携式产品在人们日常生活中的应用越来越广泛。在低电源电压条件下，需要增大运放输入/输出信号的动态范围，实现轨对轨输出，即供电电源电压和地(或另一电源电压)之间的输入共模范围和输出摆幅。对于轨对轨运放，输入级中跨导会发生变化，这将会引起信号的失真、环路增益的变化等。所以，必须使输入级跨导在整个共模输入范围内保持恒定。

　　本设计是采用电流镜改变互补差分对尾电流来获取恒定跨导以实现轨对轨。为了获得较大的带宽和增益，输入级中采用了电流源控制，中间级的电流求和电路采用折叠式共源共栅电路，输出级采用AB类控制电路，并且通过适当选择最佳的管长比，减少了补偿的复杂度。

　　1 输入级原理与设计

　　轨对轨运算放大器在整个共模范围内，输入级的跨导基本保持恒定，这对低电压应用是至关重要的，其在低电源电压和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。轨对轨输入/输出功能扩大了动态范围，最大限度地提高了放大器的整体性能。

　　1.1 基本原理

　　一般情况下，运放的输入级都采用差分放大器，通过NMOS或PMOS的差分对可实现基本的差分输入。然而这种单一的差分，并不能满足轨对轨输入的需求。

　　本文设计的输入电路如图1所示，输入电路由一个PMOS输入对和一个NMOS输入对并连构成。工作原理如下：

　　

 

　　(1)若Vss≤Vcm≤VgsP+Vdsat，仅PMOS输入对导通。其中，Vcm为共模输入电压，Vss为负电源，VgsP为PMOS管的栅源电压，Vdsat为电流源两端的电压。

　　(2)若Vdd≤Vcm≤VgsN+VDSAT，仅NMOS输入对导通。其中，Vdd为正电源，VgsN为NMOS管的栅源电压。

　　(3)若Vcm处于以上两种情况之外，PMOS，NMOS输入对均导通。

　　由此可见，NMOS与PMOS差分对并连时，Vss≤Vcm≤Vdd。

　　对于该输入级电路的跨导具体分析如下：

　　

 

　　式中：μP，μN分别为PMOS，NMOS载流子迁移率，Cox为单位面积的栅氧化层电容。所以，当Vcm处于输入差分对管不同的工作状态时，跨导不恒定，即两个MOS差分对管同时导通是二者分别单独工作时的2倍。