轨到轨运算放大器的设计

陈思海

(绵阳职业技术学院信息工程系，四川绵阳 621000)

轨到轨运算放大器的设计

陈思海

(绵阳职业技术学院信息工程系，四川绵阳 621000)

设计了一个基于GSMC 0.13 μm 3.3 V工艺的轨到轨运算放大器，实现了输入与输出摆幅均为轨到轨，开环增益达到了85 dB，相位裕度保持在60°以上.由于采用gm/Id的设计方法，使得设计更加直观，更加贴近电路的实际情况.仿真显示各项指标均已达到.

轨到轨运算放大器;带隙基准源;增益补偿

轨到轨运算放大器中存在的主要问题是输入级在整个共模输入范围内不恒定，使得单位增益带宽发生很大的变化，给频率补偿带来很大困难.目前，控制跨导恒定的方法很多:使用齐纳二极管使 P，N差分输入对栅源电压之和为常数［1］;使尾电流的方根之和与N沟和P沟跨导成比例［2］;利用偏置回路保持尾电流平方根之和的恒定［3－6］.文献［5－6］提出了用开关管控制输入差分对尾电流的方法，但该方法没有很好地控制尾电流与共模输入同步变化.本文提出的方法，采用了先进的gm/Id设计［7］，针对电流反馈结构，增加了直流反馈元件，消除了瞬态响应中的振荡，对稳压结构增加了启动电路，消除了结构所固有的零态简并点;很好地解决了用开关管控制输入差分对尾电流与共模输入不同步的问题.

1 整体结构

1.1 输入级输入级主体结构采用的是电压调整结构，即采用一个稳压结构，由外部电源供电，产生一个低遗失内部电压，使得差分输入级的增益在整个共模输入范围下都为g［8］.m

同样，采用gm/Id的设计方法，由于增益主要来自于折叠的差分输入对管，其需要驱动的容性负载大约为 2 pF，所以 gm计算为12.56 μA.

计算得出每条差分通路流过的电流为6.28 μA，每个尾电流源流过的电流为12.56 μA.为扩大增益，将L定为2 μm，能够有效稳定在饱和区.

1.2 电流反馈结构电路结构如图1所示.Msrc是在其支路产生输入电流，并由其与Msrc2组成的电流镜像到电流反馈电路中，结构中复制的输入差分对管分别接到了2个电源轨，其作用在于检测对管在电源轨的共模输入条件下的最大跨导的电流，再进行比较，经过电流反馈的调整，使得两股电流相等.此时就确切地保证了在NMOS差分对在VDD共模输入下和PMOS差分对在gnd共模输入下的跨导相同，以便使其跨导曲线正交时，交点处的跨导相加的和等于单个差分对导通时的跨导.

但是，这个电流反馈电路会产生一个问题，因为求和点产生的误差会经过3级放大，然后再返回到求和点，所以这个电流负反馈的稳定性是一个很大的问题.为了解决此问题，笔者认为只需要大信号，将小信号引入到地下，使其不产生作用，于是本设计在M5n栅极前加入了一个电阻，并将M5n栅极通过一个较大的电容连接到地下，这样结构中的负反馈回路就只是一个直流负反馈，交流成分全部流入了地下，从而保证了环路的稳定性.

1.3 推挽输出级图2(a)的推挽输出级为源极连接接法，图2(b)的推挽输出级为漏极连接接法，两者在输出信号时的表现各有不同.

源极连接的接法实质是2个源极跟随器的合用，并能够提供非常大的电流，但是电路内部所消耗的电流是很大的，所以2个晶体管的尺寸也较大.因此，对于轨到轨应用来说是一个很严重的缺点，就是其输出摆幅被限制在VGSp到VDD-VGSn的范围内，这对于低电源电压的电路是不可以接受的.

为了解决此问题，通常会采用漏极连接的结构，此结构是一个反相器，使输出摆幅可以达到2个电源轨，至少对容性负载是完全可以的.

2 主要性能测试及仿真

2.1 共模输入范围的仿真图3为测试共模输入范围时对电路内部进行了简单处理，即断开了M3b漏端与Moutp栅极的连接，也就是断开了前级与推挽输出级的连接，以防止推挽输出级对共模输入范围测试的影响，直接从M3b漏端引回到运放的反相输入端，同相输入端进行0～3.3 V的DC扫描，观察OUT1对同相输入端的跟随情况［11－12］.仿真结果如图4所示.

2.2 输出摆幅的仿真图5为直接将OUT连接到反相输入端，对同相输入端进行0～3.3 V的DC扫描，查看OUT节点电压.

从图6中可以看出输出摆幅能够达到3.3 V和12.81nV，可以认为是达到了轨到轨输出.直流增益为仿真运放的直流增益，需要保留运放的直流通路，最好的方法是接一个无穷大的电容和一个无穷大的电感，只让直流信号通过，而阻断交流信号通过.直流增益的仿真电路设计如图7所示.

仿真结果如图8所示，测试结果显示，直流增益达到85 dB以上，相位裕度达到60°以上，完全达到了设计目标.

3 小结

基于国内外研究的成果，笔者采用了先进的gm/Id设计方法，设计了一个低压输入输出轨到轨运算放大器，其增益达到85 dB以上，增益变化稳定在5% ～10%;并将平方率设计方法中冗长繁琐的参数调节过程缩短到很短的时间，还原电路设计时本该的时间配置，即结构设计、参数手工计算占总设计时间的70%，仿真调整的时间只占30%.

图8 直流增益测试电路

［1］AKURAI S，ISMAIL M.Robust design of rail to rail CMOS operational amplifiers for a low power supply voltage［J］.IEEE J.Solid State Circuits，1996，31(2):146 －156.

［2］HOGERVORST R，TERO J P，HUIJSING J H.Compact CMOS constant gmrail to rail input stages with gmcontrolled by an electronic Zener diode［J］.IEEE J.Solid State Circuits，1996，31(7):1035 －1040.

［3］WANG M，MAYHUGH T L，EMBABI Jr S H K.Constant gmrail to rail CMOS op-amp input stage with over-lapped transition regions［J］.IEEE J.Solid State Circuits，1999，32(10):148 － 156.

［4］HOGERVORST R，TERO J P，ESCHAUZIER R G H.Compact power efficient 3 V CMOS rail to rail input/output op-amp for VLSI cell libraries［J］.IEEE J.Solid State Circuits，1994，29(12):1505 －1513.

［5］LIANG Yung-chinh，SHEU Meng-lieh，Hsu Wei-hung.A rail to rail，constant gain CMOS op-amp Proceedings of the 2004 IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems，Tainan，December 6 －9，2004［C］.New Jersey:Piscataway，2004，1:257－260.

［6］NAGARAJ K.Constant trans conductance CMOS amplifier input stage with rail to rail input common mode voltage［J］.IEEE Trans.Circuits Systems II，1995，42(5):366 －368.

［7］陈德斌，常昌远.基于gm/Id参数的运算放大器设计［J］.电脑知识与技术，2007(16):1020－1022.

［8］ZHAO Wu，FU Rui，ZHANG Zhi-yong，et al.Design of a rail to rail constant gmCMOS operational amplifier Proceedings of the 2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering，Los Angeles，March 31 － April 2，2009［C］.New Jersey:Piscataway，2009，6:198 －201.

Design of Rail to Rail Operating Amplifier

CHEN Si-hai

(Department of Information Engineering，Mianyang Vocational and Technical College，Mianyang 621000，China)

In our report，based on GSMC 0.13 μm 3.3 V，rail to rail operational amplifier was designed，which achieved the input and output rail to rail swing，and total gain was 85 dB with a 60 degrees phase margin.Because of the use of gm/Id，the design was more intuitive，and closer to the actual situation of the circuit.Simulations results showed that the indicators were achieved.

rail to rail operating amplifier;band gap reference;gain compensation

TN 72 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1004－1729(2011)04－0354－04

2011－09－06

陈思海(1968－)，男，重庆万州人，绵阳职业技术学院信息工程系副教授.