一种高增益、低功耗、rail to rail输出的bicmos运算放大器

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1、一种高增益、低功耗、Rail－to－Rail输出的BICMOS运算放大器应建华朱慧珍摘要：本文介绍了一种基于0.6umBICMOS工艺，具有高增益、低功耗、RailtoRail输出的运算放大器。使用cadencespectre仿真工具对运放进行了仿真分析，结果表明在外接10K电阻条件下该运放可达到115dB的直流开环电压增益，低至0.32mw的功耗；在100pF电容负载下，单位增益带宽为2.1MHz，相位裕度为60；同时由于使用了共模反馈结构，使得运放获得了高的电源抑制比和共模抑制比。关键词：BICMOS；运算放大器；Rail-to-Rail；共模反馈AbstractBasedon0.6um

2、BICMOStechnology,Ahigh-gainoperationalamplifierwithlow-dissipationandrail-to-railoutputrangehasbeenpresentedhere.Thesimulationresultwithcadencespectreshowthatthedcgainoftheopampis115dBwhiledriving10k,andtheunitygainfrequencyis2.1MHzwithaphasemarginof60whiledriving100pFcapacitiveloads.fortheuseofCMF

3、Bconfiguration,thehighPSRRandCMRRhasbeenobtained.Keywords:BICMOS;Operationalamplifier;Rail-to-Rail;CMFB1引言近年来，随着对A/D，D/A转换器的精度的更高的要求，对在其中使用的运算放大器的精度和性能也提出了相应的高要求。Bipolar工艺由于其在跨导，噪声特性，速度，和输入失调上表现出优于MOS工艺的性能，引起了众多设计者的关注。BICMOS工艺由于综合了Bipolar工艺和MOS工艺两者的优点，获得了高的直流电压增益，低的输入失调电压，低的输入噪声，以及高的速度等好的性能。本文介绍的基B

4、ICMOS工艺的运算放大器就是充分利用了Bipolar高的跨导，低的失调特性，使用双极型晶体管作为输入管，实现了相对高的电压增益以及相对低的输入失调电压的特性；同时达到满电源幅度（RailtoRail）的输出范围。2运算放大器电路设计当运放在闭环使用时，其开环电压增益的大小，对于运放的精度有着极大的影响[1]。为了减小增益误差，就必然要求运放具有高开环电压增益。本文采用了BICMOS结构，把双极型晶体管和MOS晶体管结合在同一个集成电路中，利用双极型晶体管作为输入对管。当偏置电流相同时，双极型晶体管的跨导比相应的MOSFET晶体管的要大，因而比传统的COMS运放获得更高的电压增益，以及较低的

5、输入失调电压[2][3]。2.1高增益的输入级设计考虑到运放输入级的高增益、高共模抑制能力和低的失调，在设计差分输入级时，应使之具有高的跨导，高的共模抑制能力以及对称性好，偏置电流小等特点。传统的高增益输入级采用折叠式共源共栅结构，但是为了进一步提高运放的增益，减小输入失调电压，输入级采用了pnp晶体管作为输入管的BICMOS结构的折叠式共射共栅结构。输入级电路图如图1所示。图1.输入级电路图TP1、TP2为一对电平位移管，此电平位移管保证输出电压最小值在运放接成反馈结构使用时不受限制，可以低至零伏。输入电压经过电平位移管TP1、TP2移到一个合适的电位，此电位保证了运放输入对管TP3、TP

6、4工作于放大区，从而使得输入级的电压增益不会降低。输入的电压信号在此转化为电流，电流经过折叠式结构TP3、M3、M1和TP4、M4、M1转化为第一级的输出电压。由于输入级采用了双极型晶体管，由参考文献[2]可知，双极型晶体管的跨导和mos晶体管的跨导分别为：＝（1）（2）其中，，分别为电子迁移率，介电常数，氧化层厚度；IC为双极型晶体管的集电极电流，ID为mos晶体管的漏极电流，。由上式可知，双极型晶体管的跨导与集电极电流成正比，而mos晶体管的跨导与漏极电流的平方根成正比；在假定IC＝ID的情况下，前者要比后者大几倍或十倍。为了获得更大的电压增益，现推导电压增益表达式如下：输入级的输出电阻

7、为（3）其中为Mj的输出电阻，为从TP3的集电极看进去的等效电阻，＝，，。其中为沟长调制系数,，ID为M1管的偏置电流，且，且设定M1和M5的宽长比相等，可知。从而ROUT的值可表示如下：（4）由于输入级是折叠式结构，输出短路电流即为TP3的集电极电流，因此（5）其中由M6和M11的宽长比保证了IC=ID,运放电压增益为：（6）把Gm和ROUT表达式带入（6）式可得出：（7）式中忽略了的值，由（7）式可知，增