高增益低功耗恒跨导轨到轨CMOS运放设计_赵毅

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1、第21卷第8期电子设计工程2013年4月Vol.21No.8ElectronicDesignEngineeringApr.2013高增益低功耗恒跨导轨到轨CMOS运放设计赵毅，梁蓓（贵州大学理学院，贵州贵阳550025）摘要：基于CSMC的0.5μmCMOS工艺，设计了一个高增益、低功耗、恒跨导轨到轨CMOS运算放大器，采用最大电流选择电路作为输入级，AB类结构作为输出级。通过cadence仿真，其输入输出均能达到轨到轨，整个电路工作在3V电源电压下，静态功耗仅为0.206mW，驱动10pF的容性负载时，增益高达100.4dB，单位增益带宽约为4.2MHz，相位

2、裕度为63°。关键词：高增益；低功耗；恒跨导；轨到轨中图分类号：TN432文献标识码：A文章编号：1674－6236（2013）08-0122-04Designofahigh-gainlow-powerconstant-gmrail-to-railCMOSop-ampZHAOYi，LIANGBei（CollegeofScience，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China）Abstract:BasedonCSMC0.5umCMOSprocess，ahigh-gainlow-powerandconstant-gmrail-to-r

3、ailoperationalamplifierisdesignedinthispaper.Inputstagecircuitusesamaximumcurrentselectingcircuit，andoutputstagecircuitispush-pull.Whendrivingacapacitiveloadof10pF，simulationresultsinCSMC0.5umCMOStechnologywithCadenceshowa100.4dBopenloopgain，4.2MHzunitygainbandwith，63°degreephasemarg

4、in，andpowerconsumptionaround0.206mWat3Vpowersupply.Keywords:highgain；low-power；constant-gm；rail-to-rail随着人们对电子产品低功耗设计的提出，模拟电路、数大电流选择电路，这种方法的原理是在共模电压中间只允许模混合电路的工作电压在逐渐降低。然而低电压导致了电路一个差分对工作，其不足在于电路结构比较复杂。文中采用输入共模范围的变小，传统的PMOS或NMOS差分对已不能第3种方法来实现输入级跨导的恒定。满足大的输入共模范围的要求[1]。同时，电压降低，噪声的影2最大电流

5、选择电路输入级响就越来越显著，为了得到高的信噪比，我们必须尽可能扩展输入电压的动态范围，这样，轨到轨运放就应运而生。轨到轨输入的基本结构如图1所示，当只有NMOS对工作时，输入级跨导为g=[2μc（W/L）I]1/2；当只有PMOS对文中设计了一个3Vrail-to-rail运算放大器，采用最大电mnnoxref工作时，输入级跨导为g=[2μc（W/L）I]1/2，我们可以调整流选择电路实现输入级跨导恒定，推挽结构实现轨到轨输出。mppoxref输入级中N管和P管的宽长比使gmn=gmp。1输入级电路分析由于NMOS、PMOS差分对的直流工作特性不同，使用互补差

6、分输入对会导致一些问题而限制电路的整体性能。当共模电平仅使一对输入管导通时，共模抑制比会下降，还会引起输入级跨导的变化，且双输入对工作时的跨导是单输入对工作时跨导的两倍，这会影响电路的环路增益和频率补偿[2]。在很多文献中都有阐述如何实现输入级跨导的恒定，归纳起来比较常用的有3种方法：1）三倍电流镜技术。其缺点在于过于依赖电流的平方律模型，MOS管在强反型和弱反型时不图1轨到轨输入级的基本结构能通用；2）使Vsgp+Vgsn保持不变以达到稳定输入跨导的目Fig.1Structureofrail-to-railinputstage的。它的不足在于二极管连接形式的M

7、OS管性能是其端电图2给出了共模电压在0～VDD之间变化时，输入级总压的函数，这样跨导在输入共模变化的范围内不恒定；3）最跨导（gmT）的变化情况：我们可以看出，当VinCM→0时，只有P管工作，gmn=gmp；当VinCM→VDD时，只有N管工作，gmT=gmn；当收稿日期：2012-11-27稿件编号：201211237作者简介：赵毅（1985—），男，湖北襄阳人，硕士研究生。研究方向：CMOS模拟集成电路设计。－122－赵毅，等高增益低功耗恒跨导轨到轨CMOS运放设计图2输入级跨导随共模电压的变化Fig.2GmTversusthecommon-modein

8、putvoltageVi