具有R-R输入功能的低压低功耗CMOS运算放大电路的设计与实现
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。
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：
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。
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：
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：
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：
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：
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：
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。
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。
简要介绍模拟放大电路的四大特点
降低嵌入式系统的功耗
波纹管安全阀的特点和适用领域
回顾2018自动化及智能制造市场状况
鸿海大陆厂区复工比例超季节性需求50％
具有R-R输入功能的低压低功耗CMOS运算放大电路的设计与实现
区块链5.0的到来意味着什么
苹果申请新专利，或将解决OLED屏幕烧屏问题
DIGITIMES：2023年至2028年全球笔记本电脑出货量复合年增长率为3%
vr技术的优势在哪里
知识产权宣传周｜专利组合护航关键技术，探索知识产权服务模式
什么是晶圆划片刀？划片刀市场分析！
钛深科技团队世界首创性地推出第四代离电子压力传感器
怎样提前知道恶劣天气的到来
了解ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 CDM 测试标准
iOS 14.3和watchOS 7.2更新引入了一种新方法来衡量您的健康状况
电源管理芯片缺货涨价加剧?
Microchip推出三款开发工具包
iPhone7和华为Mate9 Pro，价格相同你会选择谁？
串行存储器拷贝器原理图
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：
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。
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：
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：
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：
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：
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：
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。
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。
简要介绍模拟放大电路的四大特点
降低嵌入式系统的功耗
波纹管安全阀的特点和适用领域
回顾2018自动化及智能制造市场状况
鸿海大陆厂区复工比例超季节性需求50％
具有R-R输入功能的低压低功耗CMOS运算放大电路的设计与实现
区块链5.0的到来意味着什么
苹果申请新专利，或将解决OLED屏幕烧屏问题
DIGITIMES：2023年至2028年全球笔记本电脑出货量复合年增长率为3%
vr技术的优势在哪里
知识产权宣传周｜专利组合护航关键技术，探索知识产权服务模式
什么是晶圆划片刀？划片刀市场分析！
钛深科技团队世界首创性地推出第四代离电子压力传感器
怎样提前知道恶劣天气的到来
了解ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 CDM 测试标准
iOS 14.3和watchOS 7.2更新引入了一种新方法来衡量您的健康状况
电源管理芯片缺货涨价加剧?
Microchip推出三款开发工具包
iPhone7和华为Mate9 Pro，价格相同你会选择谁？
串行存储器拷贝器原理图