0．6 V CMOS轨至轨运算放大器

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摘要：为适应低压低功耗设计的应用，设计了一种超低电源电压的轨至轨CMOS运算放大器。采用N沟道差分对和共模电平偏移的P沟道差分对来实现轨至轨信号输入。当输入信号的共模电平处于中间时，P沟道差分对的输入共模电平会由共模电平偏移电路降低，以使得P沟道差分对工作。采用对称运算放大器结构，并结合电平偏移电路来构成互补输入差分对。采用0．13 μm的CMOS工艺制程，在0．6 V电源电压下，HSp-ice模拟结果表明，带1O pF电容负载时，运算放大器能实现轨至轨输入，其性能为：功耗390μW，直流增益60 dB，单位增益带宽22 MHz，相位裕度80°。
关键词：轨至轨；运算放大器；CMOS；模拟电路

0 引言
    随着便携式消费电子产品应用的持续增长，降低功耗和低电源电压成为CMOS运算放大器的设计趋势。在低压下工作时，一般采用互补差分输入对来实现轨至轨的信号输入，但是，其电源电压被限制在必须大于两倍阈值电压与两倍过驱动电压之和。
    为了使运算放大器能工作在更低电源电压下，现有的方法是，采用体驱动晶体管、双p沟道差分输入对、输入信号重整、弱反型区和输入共模电平偏移技术。体驱动晶体管和弱反型区晶体管的跨导较小且频率响应性能较差。对当输入共模电平低时，2个P沟道差分输入对都同时开启，这样会导致差分对的尾电流在共模电平高和低时不相等，因此，这种电路在轨至轨输入信号下很难实现恒定增益。输入信号重整电路用来控制共模(CM)电平，但是由于反馈的引入，可能会导致信号的非线性。共模电平偏移是采用标准CMOS工艺制程来实现轨至轨输入信号的好方法，但是要在超低电源电压下工作(例如0．6 V)，该还电路需要进行一些改进。

1 路结构和工作原理
    如图1所示，普通的互补差分输入对虽然能够获得轨至轨输入信号，但是，其电源电压不能低于2(VTH+VOD)，其中表示VTH阈值电压，VOD表示过驱动电压，可以看出在中间部分，会出现截至区(Dead Zone)。




    图2是动态共模电平偏移(Level Shft)的电路结构示意图，其与文献的不同之处是，对输入共模电平在中间或者低电平时，仅仅PMOS差分对开启，对输入共模电平在高电平时，NMOS差分对开启。在设计过程中，表明这种电路结构更加适合于超低电源电压下工作。互补差分对的输入共模电平可以表示为：
   


    其中Vin,n,cm和Vin,p,cm分别是内部NMOS和PMOS差分对输入端的共模电平，Vin,cm是外部输入端Vin1和Vin2的共模电平。




                          
                       
                          
                               
    本文设计的低压运算放大器的核心电路如图3所示，该电路由电平偏移互补差分对(R1，R2，M1～M4)和对称运算放大器(M5，M6，M13～M16)组成。图3中，电平偏移电流产生电路(Level-shift Current Generator)与文献中相同，其中Ish供给M7～M10。但在文献中，采用了共源共栅结构，其在超低电源电压下工作是不适合的。从图3可以看出，该电路能够工作的最小电源电压是：
   


    本设计中，对于0．6 V的电源电压，在0．13μm CMOS工艺制程下，阈值电压约为0．4 V，过驱动电压设计为0．06 V。

2 模拟结果与讨论
    图4为共模电平偏移电流Ish与外部输入信号共模电平Vin,cm的变化关系。




    图5为内部NMOS差分对输入端的共模电平Vin,n,cm和PMOS差分对输入端的共模电平Vin,p,cm与外部输入信号共模电平Vin,cm的变化关系。可以看出，当外部输入信号共模电平处于中间区域时，Vin,p,cm会降低，此时PMOS输入差分对会导通。因此该共模电平偏移输入级实现了在低和中Vin,cm时PMOS输入差分对导通，高Vin,cm时NMOS输入差分对导通，即实现了轨至轨输入。
                          
                       
                          
                               
    如图6所示，在0．6 V电源电压下，采用0．13 μmCMOS工艺制程，模拟得到的频率响应曲线，带10pF电容负载时其性能为，功耗390μW，直流增益60 dB，单位增益带宽22 MHz，相位裕度80°。图7为单位增益缓冲器的模拟结果。结果表明，该运算放大器可以实现轨至轨输入和输出。





3 结语
    在电源电压为0．6 V下，模拟实现了轨至轨输入和输出运算放大器。采用0．13 μm CMOS工艺制程，其阈值电压约为0．4 V和-0．4 V。设计过程中用到了输入共模电平偏移技术和对称运算放大器结构设计。