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低压低功耗衬底驱动轨至轨运算放大器设计方案

低压低功耗衬底驱动轨至轨运算放大器设计方案

本文摘要:运算放大器(全称运放)是具备很高缩放倍数的电路单元。在实际电路中,一般来说融合对系统网络联合构成某种功能模块。由于早期应用于仿真计算机中,借以构建数学运算,故得名运算放大器。 运算放大器是仿真集成电路中用途最甚广、最基本的部件,可以用来构建缩放、滤波等功能,在电子系统中具有普遍的应用于。随着便携式电子产品和超强深亚微米集成电路技术的大大发展,较低电源电压低功耗设计已沦为现代CMOS运算放大器的发展趋势。降低功耗最必要有效地的方法是减少电源电压。

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运算放大器(全称运放)是具备很高缩放倍数的电路单元。在实际电路中,一般来说融合对系统网络联合构成某种功能模块。由于早期应用于仿真计算机中,借以构建数学运算,故得名运算放大器。

  运算放大器是仿真集成电路中用途最甚广、最基本的部件,可以用来构建缩放、滤波等功能,在电子系统中具有普遍的应用于。随着便携式电子产品和超强深亚微米集成电路技术的大大发展,较低电源电压低功耗设计已沦为现代CMOS运算放大器的发展趋势。降低功耗最必要有效地的方法是减少电源电压。

然而电源电压的减少,使得运算放大器的共模输出范围及输入动态范围随之也减少。同时,电路电源电压的减少将受到MOSFET阈值电压的容许。针对这一问题,衬底驱动轨至轨技术应运而生,不但有效地减少了MOSFET的阈值电压,从而必要减少了电路的电源电压,并且使共模输出范围需要超过仅有摆幅。

但是衬底驱动MOSFET的输出跨导小,输出电容较小,从而容许了电路的最低工作频率。因此,衬底驱动输出级的引进,将不可避免地减少运放的第一级增益。

为此,本文使用改进型前馈式AB类输入级以减少有效地输出级跨导,从而防止了衬底驱动技术的缺点,使电路具备高压低功耗高增益的特点。  本文设计的电路,使用衬底驱动技术,将电源电压降到0.8V,同时电路融合了恒定跨导控制电路和改进型前馈式AB类输入级,能有效地提升动态范围和响应速度,使电路输出级和输入级皆超过轨至轨,非常适合高压低功耗仿真集成电路应用于。  1电路构建  衬底轨至轨运算放大器的构建如图1右图。    图1衬底轨至轨运算放大器  1.1放大器的输出级  为使运放的共模输出在整个电源范围内变化时电路都能长时间工作,使用NMOS和PMOS并联的有序差分对结构来构建输出级的轨至轨。

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如图1右图,输出级M1~M4皆使用衬底驱动MOSFET。对于栅驱动晶体管来说,输出级所必须的大于电源电压为Vsupmin=Vgsp+Vgsn+2Vdsat=2Vth+4Vdsat,而衬底驱动差分对所须要大于电源电压为Vsupmin=Vsbp+Vbsn+2VdsatVth+2Vdsat,因此衬底驱动输出级所需的大于电源电压要高于传统差分结构。

同时由于衬底驱动MOS管一般来说工作在消耗区,其消耗特性不利于构建较低电源电压下的轨至轨共模输出范围。其中,Vgsp、Vgnp分别为PMOS和NMOS管的栅源电压,Vdsat为MOS管的漏源饱和状态电压,Vsbp、Vbsn分别为PMOS管和NMOS管的源衬电压和衬源电压,Vth为MOS管的打开电压。

  典型的轨至轨运算放大器的总跨导在整个共模输出变化范围内变化将近一倍。跨导的变化带给增益及单位增益比特率的变化,也给运算放大器的频率补偿带给相当大艰难。为此,本文使用校验差分对(M1a~M4a)及鼻端式共源共栅议和电路来掌控输出级横跨导以维持恒定。校验管及议和电路皆使用衬底驱动MOSFET,以符合较低工作电压拒绝。

减少校验管后的输出级有一个显著的优点,即为议和电路获取了恒定的输入电流,从而有效地避免了输出级跨导随输出电压变化而对理想频率补偿产生的影响。议和电路使用衬底驱动鼻端式共源共栅结构以减少共模输出范围,提升电源诱导比(PSRR),同时减小电路的差动增益,增大紊乱,构建高压下的轨至轨特性。衬底驱动MOSFET的主要缺点是输出跨导小、输出电容较小,造成MOSFET的特征频率fT增大,从而容许了电路的最低工作频率。

因此,衬底驱动输出级的引进,将不可避免地减少运放的第一级增益(-gmbr0)。本文使用改进型前馈式AB类输入级以减少有效地输出级跨导,防止衬底驱动技术的缺点。  1.2放大器的输入级  在轨至轨运算放大器的设计中,为了充分发挥轨至轨运算放大器的特性,必需设计较好的输入级。

为了超过较高的切换效率以及输入仅有摆幅,轨至轨运算放大器的输入级一般来说使用前馈式AB类输入级。  本设计使用拉链共栅共源作为有源阻抗,并将其与前馈式AB类输入级结合,在提升电压增益、减少电压输入动态范围的同时,确保了在整个共模输出电压范围内运算放大器的总电压增益。但是这种传统结构的缺点是,AB类控制电路的偏置电流源和共源共栅阻抗成三大关系,从而减少了输出级的输出阻抗及增益。

此外,电流源还不会给运算放大器引进较小的噪声和紊乱。因此采行了如下措施:  (1)如图1右图,M17、M18为输入晶体管,M15、M16、M17、M21以及M13、M14、M18、M22分别包含两个线性电路,掌控输入晶体管电流。

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M7、M8、M9、M10皆使用衬底驱动MOSFET以符合较低电源电压必须。M21、M22为浮动的AB类控制电路,被映射共源共栅议和电路,其偏置由共源共栅结构获取,以增大传统结构中偏置电流源引进的噪声和紊乱。  (2)前馈AB类输入级可以取得较高的仅次于电流与静态电流比,提升电源功耗的利用率。若将M17和M18的栅极分别偏置在相似VDD-Vth和VSS+Vth时,电压的输入动态范围可以超过VSS+Vdsat~VDD-Vdsat。

这样,M17和M18的静态电流较小,不会减少输入级的速度。因此,不应综合考虑到仅次于输入电流、静态功耗、频响性能和电路面积之间的折中。在此电路中,使用M21和M22作为相同输出管栅极间电压的电路,比使用电阻更加节省电路面积,同时,具备减少该栅间电压对工艺、电源的敏感性等优点。

  (3)在共源共栅结构的另一条支路重新加入具备与AB类控制电路完全相同结构的浮动电流源M19、M20,它通过共源共栅电流镜可为AB类控制电路获取平稳的偏置,以增大共模输出电压变化对AB类输入级的影响。  本文设计的运算放大器MOS管尺寸如表格1右图。


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