原创 低压CMOS满幅度恒定增益运算放大器设计

1引言

    随着便携式消费电子需求的日益增长，低压、低功耗设计已经成为集成电路设计的研究热点之一。趋势表明[1]，电压的降低给模拟电路设计带来很大挑战。就低压运放设计而言，一般传统采用互补差分对输入级以实现满幅度输入范围，然而，当电源电压低于Vt.NMOS+|Vt.PMOS|+VDS，PMOS-|VDS，PMOS|时，差分对会出现截止区，导致最小电源电压要高于2个阈值电压与2个过饱和电压之和。0.35μm工艺下Vt，NMOS的典型值为0.52V，Vt，PMOS的典型值为-0.75V，则传统结构的最小工作电压只能在1.4V左右。为了避免采用复杂工艺实现电源电压低于1V的运算放大器而增加产品成本。见文献[2-4]的电路结构采用共模电平偏移的电路结构，箝位共模电平，在标准CMOS工艺下简单地实现了低电压运算放大器。

    已有文献[2]采用PMOS差分对来实现电源电压为1V的运算放大器，但由于Vt，PMOS的典型值为-0.75V，使得前置反馈电路的工作电平范围为1-0.15V，几乎涵盖整个共模电平范围，运算放大器的稳定性降低，另外，该结构下的折叠式共源共栅结构也会受体效应的影响，影响增益的恒定性。本文采用NMOS差分对结构，还对前置反馈电平偏移电路进行相应的改进，使电源电压降为0.9V的同时，提高了增益的恒定性。

2 设计的基本思路

    基于前置反馈的电平偏移电路的设计如图1，Vi+，Vi-的共模电平Vi，cm低于Vref时，通过反馈电路控制电流源获得适当的电流I，Vin+，Vin-的共模电平Vin，cm提升到Vref，同时电阻传递完整的差模信号，再由Vin+，Vin-连接NMOS差分对来实现整体电路，如图1所示。

 
3 运算放大器的具体实现

    反馈电路的实现如图2所示，其反馈过程如下：Vi+，Vi-的共模电平Vi，cm降低时，Vin+，Vin-的共模电Vin，cm降低，此时IDM1减小，IDM11增大，Vx点的电位升高，IDM8增大，电阻的端电压增大，Vin，cm升高。若Vref过高，由于Ib的大小和电流镜工作电压的限制，Vin，cm不会上升到Vtel的电平。为了M5与M6，M7的漏源电压近似相等，引入M12增强电流镜的匹配。

    下面对反馈环路的稳定性进行分析，运放A的开环增益为：

    由式（5）可以看出，电路工作时，需要保持M8漏源电压较小，则宽长较大，在相同的漏源电流下，Gm8不可能很小。所以在电路设计时，运放A的跨导Gm1应该可能小，补偿电容C应该较大，同时在版图设计中应该注意减小寄生电容Cp，以增强反馈的稳定性。

    采用NMOS差分对的低压运算放大器，结构如图3所示，其两级直流增益可以分别为：

Av1=gmt1[rot8//gmt6rot6+1]rot4] （6）

Av2=gmt9（rot9//rot10） （7）

    其中，gmt1，gmt6，gmt9分别为MT1，MT6，MT9的跨导，rot4，rot6，rot9，rot10分别为对应MOS管的输出电阻。

    在设计电路过程中，MOS管应较大宽长比，保持漏源电压较小的同时，偏置电流也应适当减小，此时输出电阻较大，随共模电平波动也小，有助于低压下获得较大且稳定的增益。

4 模拟结果

    在0.9V电源电压下，为使M3，M4工作在放大区，Vret可在0.62-1V之间取任意值，图4结果显示，在0-0.9V的共模电平范围内，当输入端共模电平Vi，cm＜0.62V时，此时反馈电路使得M1，M2工作在放大区，内部共模电平Vin，cm保持0.62V恒定；Vi，cm＞0.62V时，Vx电位降低，反馈电路停止工作，Vin，cm随Vi，cm增大而增大。

    在10pF外接负载情况下，交流特性如图5所示。

    在满幅度范围内，运算放大器的滞留增益，单位增益带宽和相位裕度相当稳定，具体参数如表1所示。

5 结论

    本文基于标准CMOS工艺，设计了电源电压低至0.9V的运算放大器。模拟结果显示，在整个满幅度范围内，该运算放大器增益波动仅为0.01%，可用于低压低功耗的 SOC设计中。