一种Rail-to-Rail运算放大器设计
摘 要: 基于SMIC0. 18 m CMOS混合信号工艺设计了一种低功耗轨对轨运算放大器， 并用Spectre仿真器对运放的各种性能参数进行了仿真。运放采用3. 3V电源， 输入共模电压和输出摆幅均达到了轨对轨， 输入级跨导在整个输入共模电压范围内仅变化15% ， 直流开环增益为99dB， 单位增益带宽为3. 2MH z， 相位裕度为59 °( 10pF负载电容)， 功耗为0. 55mW。
1 引 言
近年来，以电池作为电源的便携式电子产品得到广泛使用，迫切要求采用低电压的模拟电路芯片来降低功耗。在低压供电条件下， 为了提高运放的信噪比、输入共模电压范围及信号动态输出幅度， 最好是能做到轨对轨。放大器的输出较容易实现轨对轨， 但在输入端实现轨对轨是比较复杂的， 原则上只能是折叠式共源共栅结构才能使输入端包含电源电压的轨， 这种技术是实现所有轨对轨输入放大器的基础。
输入级采用电流控制的三倍电流镜法， 输出级采用浮动电流源控制的前馈甲乙类输出级， 该电路结构可以克服直接将轨对轨输入级、求和电路、甲乙类输出级相连的缺点， 提高了运放的增益， 使输出管的静态电流不随电源电压及输入共模电压的变化而变化， 同时也降低了电路的功耗， 节省了芯片面积。
2 恒跨导Rail- to- Rail输入级
输入级等效跨导的不恒定不仅会降低运放的共模抑制比， 同时也会造成严重的失真， 而且还会给后面的频率补偿带来困难， 一个理想的频率补偿要求输入级的跨导是恒定的。因而输入级设计的关键也就是要使得输入级的跨导在整个输入共模电压范围内都保持恒定。显然MOS互补差分对管不能满足要求。如图1， 这是一种采用电流控制恒跨导的结构， 电路恒定跨导控制部分是由两个电流开关管M7、M8， 两个电流镜M5- M6、M9-M10组成。
每个电流镜的电流比例关系是1：3。当输入共模电压比较低时， 只有PMOS输入对管工作， 电流开关管M 7打开， M 8关闭， NMOS 输入对管偏置电流In流经开关管M7通过M9、M10电流镜放大三倍后与Ip一起注入PMOS对管， 假设Ip = In = I， 则此时电路跨导等于2 √β I; 当输入共模电压比较高时， 只有NMOS输入对管工作， 电流开关管M8 打开， M7关闭。Ip 经电流镜放大三倍后与In 一同抽取NMOS对管的电流， 此时电路跨导仍然等于2 √β I; 当输入共模电压在中间时， NMOS输入对管和PMOS输入对管都工作。两个电流开关管都关闭， 此时电路跨导仍然等于2 √β I。通过电流开关的控制及电流镜已基本做到在输入共模电压轨对轨的情况下输入级的等效跨导保持恒定。但这种恒定发生在输入共模电压接近电源正轨与电源负轨以及在二者中间，NMOS完全导通或者PMOS完全导通又或者NMOS与PMOS 同时导通的情况下。但
