一种低压低功耗Rail_to_Rail运算放大器的设计.pdf

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1、研究与设计一种低压低功耗Rail-to-Rail运算放大器的设计邹国辉，颜永红(湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082)摘要：基于TSMC0.18μm互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺，设计了一种2V低功耗恒定跨导Rail-to-Rail运算放大器。该运算放大器的输入级采用并行N沟道和P沟道差分输入级，实现了Rail-to-Rail的共模输入范围；为使输入跨导在整个共模输入范围内基本恒定，采用三倍电流镜技术；输出级采用带有Cascode米勒补偿的AB类输出控制电路。在CadenceSpectre环境下仿真后的结果显示：

2、直流增益为91dB，相位裕度为84.5°,单位增益带宽为9.4MHz，功耗为0.2mW,适合应用在各种低压低功耗场合。关键词：低压低功耗；Rail-to-Rail；恒跨导；运算放大器中图分类号：TM911文献标识码：A文章编号：1002-087X(2010)08-0839-03DesignofalowvoltagelowpowerRail-to-RailoperationalamplifierZOUGuo-hui,YANYong-hong(CollegeofPhysicsandMicroelectronicsScience,Hunan

3、University,ChangshaHunan410082,China)Abstract：A2VlowpowerRail-to-RailCMOSoperationalamplifierwasdesignedwithTSMC0.18μmCMOSprocess.TheinputstagewhichconsistedofanNMOSandaPMOSdifferentialpairreachedRail-to-Railcommonmodeinputrange.Meanwhile,thetailcurrentofinputstageadopt

4、edthree-timescurrentmirrortechniquetomakethetotalgmmaintainasaconstantinthecommonmodeinputrange.Theoutputstageemployedaclass-ABcontrolcircuitwithcascademillercompensation.ThecadencespectresimulationresultsindicatethattheDCgainis91dB,thephasemarginis84.5°thebandwidthis9.

5、4MHzandthepowerdissipationis0.2mW,whichisverysuitableforlowvoltageandlowpowerapplication.Keywords:lowvoltageandlowpower;Rail-to-Rail;constanttransconductance;operationalamplifier近年来以电池供电的便携式电子产品得到了迅速发展，很小的单差分输入结构。对于NMOS差分输入电路来说，其标准CMOS工艺的低电压、低功耗模拟电路受到了越来越多共模输入范围上限接近电源电压

6、，下限却距离地电位较远；对的重视[1]。随着CMOS工艺向超深亚微米技术的发展，晶体管于PMOS差分电路来说，其共模输入下限接近地电位，但上特征尺寸不断减小；为了保证集成电路的性能，降低功耗，减限却距离电源电位较远。随着目前模拟电路设计的电源电压小各种寄生效应，在降低阈值电压的同时，必然要求降低芯片降低，运放的共模输入范围势必会受到很大的限制。内部的电源电压。由于数字电路的工作速度随电源电压下降这一问题的解决办法之一是将N沟道差分输入级与P而提高，模拟电路的信噪比却是下降。同时，当电源电压从5沟道差分输入级并联使用[3]，如图1所示。

7、其共模输入范围V降到1.2V时，CMOS电路的阈值电压仅仅从0.8V降到为：0.35V[2]。并且，运放的输入和输出电压范围受到很大的限制，V＜Vcom＜V（1）SSDD严重时甚至不能正常工作，使传统的模拟电路设计面临巨大从而实现了输入级的Rail-to-Rail。然而这种输入级电路还存挑战，因此，为了提高低压低功耗运放的性能，增大输入输出在一个很大的问题，即输入级的跨导随共模输入电压的变化信号的动态范围，最好能达到整个电源电压范围，即轨到轨而变化。在图1中，当输入共模电压接近负电源VSS时，（Rail-to-Rail），必须对运放的

8、差分输入级和输出级进行改进NMOS差分对M3、M4关断，输入级跨导为PMOS差分对M1、设计。M2的跨导；当输入共模电压处于中间值时，NMOS与PMOS1运算放大器的输入输出级设计差分对M1、M2、M3、M4同时工作，输