具有恒定跨导的Rail-to-RailCMOS运算放大器设计指导(doc13)

具有恒定跨导的Rail-to-Rail CMOS
运算放大器设计指导
陈 斯
(徐州师范大学物理系电子科学教研室)
注：文章中有很多关于MOS方面的基础知识，可能对于你们来说比较陌生，可以去找一
些关于这方面的书籍看看。下学期我会给你们做专门的讲解的。你们先作个大概的了解，
并确定具体的方向。
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引　言
近年来，随着集成电路工艺尺寸的不断减小，低电压的发展趋势越来越快。下图为
半导体工艺与电源电压的关系。从图中可以看出，电压随着工艺最小尺寸的减小而不断
降低。电压减小的原因是因为尺寸的减小导致了器件的击穿电压的减小。此外数字电路
的功耗正比于电源电压的平方，因此，为了减小功耗必须降低电源的电压。但是从模拟
电路设计者来看，电源电压的减小会导致模拟信号动态范围的减小。如果 MOS 管的域值
电压随着电源的降低而等比减小的话，动态范围就不会受到严重的影响。但由于数字逻
辑的原因，域值电压不能大幅地减小　，所以低电压会对电路的设计带来一定的影响。
2　一般原理
在模拟电路和数模混合电路中，对于低电压的追求逐渐成为集成电路的一种时尚。
然而低电压导致了运算放大器输入共模范围的降低，传统的PMOS或NMOS差分对输入已
不能满足大的输入共模范围的要求。
为解决这一瓶颈，rail-to-rail运算放大器随之而产生。通常的Rail-to-Rail运放采用两
级结构，运放的输出级可以采用简单的class-A或class-AB来实现，难点在于输入级的设计。
输入级一般采用PMOS和NMOS并联的互补差分结构，但其跨导在整个共模输入范围内变
化两倍。这种跨导的变化不仅影响环路的增益, 也会影响运放的频率补偿。同时，由于输
入信号是rail-to-rail，具有很高的信噪比，因此要求整个rail-to-rail运放的输入级保持恒定
的跨导(gm)。
一般来说，运算放大器的输入级都采用差分放大器的输入模式。在CMOS工艺中，
差分放大器可以通过PMOS或NMOS的差分对来实现。如图1，这是一个采用NMOS差分
对作为输入级的电路。从图中可以得到，NMOS差分对的共模输入范围为