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:
    2.JPG
    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。