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1、3一种新型Rail-to-Rail运算放大器的设计与分析张杰伟柯菁华赖宗声(华东师范大学电子科学技术系专用集成电路与系统国家重点实验室,上海200062)摘要提出了一种采用线性跨导输入级的Rail-to-Rail运算放大器,输入级的跨导基本实现了与共模输入电压无关,而只与工艺参数和工作电压有关。采用了复合晶体管的设计,使等效NMOS和等效PMOS的电学参数一致,摈弃了由于PMOS及NMOS的不一致性而采取的补偿措施,输出级采用甲乙类CMOS结构,实现了输出的Rail-to-Rail。关键词Rail-to-Rail线性跨导输入甲乙类
2、CMOS结构复合晶体管互补差分对中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号:1003-353X(2000)1-57-04DesignandAnalaysisofaNovelRail-to-RailOperationalAmplifierZhangJiewei,KeJinghua,LaiZongsheng(Dept.ofElectronicSci&TechE.ChinaNormalUniv.ASIC&SystemStateKeyLab.,Shanghai200062)AbstractInthispaper,weputforward
3、atypeofRail2to2Railoperationalamplifierusinglineartransconductanceinputstage.Thetransconductanceofinputstageisalmostnotrelatedtothecommonmodeinputvoltage,butonlydependsontheprocessingparametersandoperatingvoltage.Moreover,adoptionofthedesignofcompositetransistorleadto
4、bothuniformingtheelectricparametersinequivalentNMOSandPMOS,anddisgardingthecompensationalmeasuresduetothediffferencesbetweenPMOSandNMOS.Allthesemakesimpledesignfeasible.InoutputstageweusetheClass2ABCMOSstructure,realizingRail2to2Railinit.KeywordsRail2to2RailLineartran
5、sconductanceinputClass2ABCMOSstructureCompositetransistorComplementarydifferentialpair都采用了互补差分对形式,如图1所示。1引言近年来随着各种便携式、低功耗电子产品的生产和广泛的运用,Rail2to2Rail运算放大器正逐渐被人们所重视和研究开发。因为常规设计的运放受阈值电压及饱和电压降的影响而导致共模电压输入范围和输出电压摆幅都过小,影响后级电路的正常工作,甚至运放自身内部的多级电路之间也不能协调,结果是整个器件不能正常工作,必需采用新的电路设
6、计来满足要求。Rail2to2Rail的含义为:11输入级的Rail2to2Rail是指采用一个跨导变图1基本Rail2to2Rail输入级换器,其共模电压输入范围可从电源正极轨至电源21输出级的Rail2to2Rail是指输出电压摆幅可负极轨。为了保证共模电压范围足够大,无一例外3国家九五重点科技攻关项目(962748202202ö01)半导体技术2000年2月第25卷第1期57以达到电源两极的电压值。但是简单的互补差分对KPIBP+KNIBN=CONST,代入式(1),可以有一个问题,即跨导gm不恒定。当共模电压接近电源两极时
7、只有一对MOS管在工作,从而导致gm有得出gm(总)∝KPIBP+KNIBN=CONST。一倍的误差。先考虑一对npn管电路结构,可以推其中方框“P”和“N”分别代表等效P型差分[4]出gm=-IBö2VT,其中VT=kTöq。对和等效N型差分对,具体电路图分别如图3、图可以看出双极型差分对的跨导是正比于偏置电流的。所以只要在n型与p型差分对之间简单地分配偏置电流并保持IBP+IBN=IB就可以了。因为IBPIBNIBgm=-+=-=CONST。2VT2VT2VT但是当采用MOS管时就比较复杂了,gm与IB是非线性关系,如(1)式
8、所示gm=2KIB(1)其中K=LCOXWö2L。[1～3]据已有文献报道,可用以下几种方法来解决这个问题。(1)采用电流镜技术使偏置电流的大小随输入图3P型差分对共模电压的变化而变化。其目的是为了保持跨导gm的恒定。这可以通过成比例的电流镜来实现
