轨到轨运算放大器的设计
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第 ２９卷 第４期
２０１ １年 １２月
海 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版
ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＩＮＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖ０Ｉ＿２９ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１１
文章编 号 ：１００４—１７２９（２０１１）０４—０３５４—０４
轨 到轨 运 算 放 大器 的设 计
１ 整体结构
１．１ 输入级 输入级主体结构采用的是 电压调整结构 ，即采用一个稳压结构 ，由外部 电源供 电，产生一 个 低遗 失 内部 电压 ，使 得差 分输 入级 的增益 在整 个共模 输 入范 围下都 为 ｇ ．
同样 ，采用 ｇ ／Ｉ 的设计方法，由于增益主要来 自于折叠的差分输人对管 ，其需要驱动 的容性负载大 约为 ２ ｐＦ，所以 ｇ 计算为 １２．５６ Ａ．
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但是 ，这个 电流反馈 电路会产生一个 问题 ，因为求和点产生的误差会经过 ３级放大 ，然后再返 回到求 和点，所以这个 电流负反馈的稳定性是一个很大的问题．为了解决此问题 ，笔者认 为只需要大信号 ，将小 信号引入到地下 ，使其不产生作用 ，于是本设计在 ＭＳｎ栅极前加入 了一个 电阻 ，并将 ＭＳｎ栅极通过一个 较大的电容连接到地下 ，这样结构 中的负反馈 回路就只是一个直流负反馈 ，交流成分全部流人了地下 ，从
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海 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版
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为了解决此问题 ，通常会采用漏极连接的结构 ，此结构是一个
图２ 推挽输出级Ｉ拘２种结构
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贴 近电路 的实际情况 ．仿真显示各项指标均已达到．
关键词 ：轨到轨运算放大器 ；带 隙基 准源 ；增益补偿
中图分类号 ：ＴＮ ７２
文献标志码 ：Ａ
轨到轨运算放大器中存在的主要 问题是输入级在整个共模输入范 围内不恒定 ，使得单位增益带宽发 生很大的变化 ，给频率补偿带来很大困难．目前 ，控制跨导恒定的方法很多：使用齐纳二极管使 Ｐ，Ｎ差分 输入对栅源电压之和为常数 ；使尾电流的方根之和与 Ｎ沟和 Ｐ掏 跨导成 比例 ；利用偏置 回路保持尾 电流平方根之和的恒定 ｊ．文献 ［５—６］提出了用开关管控制输入差分对尾 电流的方法 ，但该方法没有 很好地控制尾电流与共模输入同步变化．本文提 出的方法 ，采用 了先进 的 ｇ ／Ｉ 设计 ，针对 电流反馈结 构 ，增加 了直 流反馈 元件 ，消 除 了瞬态 响应 中 的振 荡 ，对 稳 压 结构 增 加 了 启 动 电路 ，消 除 了结 构所 固有 的 零态简并点 ；很好地解决 了用开关管控制输入差分对尾电流与共模输入不同步的问题．
计算得 出每条差 分通 路流 过 的电流 为 ６．２８ Ａ，每个 尾 电流源 流过 的 电流 为 １２．５６ Ａ．为 扩 大增 益 ， 将 定为 ２ ｍ，能够有 效稳 定在饱 和 区． １．２ 电流反馈结构 电路结构如图 １所示．Ｍｓｒｃ是在其支路产生输入电流，并 由其与 Ｍｓｒｃ 组成的电流 镜像到电流反馈 电路 中，结构中复制 的输入差分对管分别接到了 ２个 电源轨 ，其作用在于检测对管在 电 源轨的共模输入条件下的最大跨导 的电流，再进行 比较 ，经过 电流反馈 的调整 ，使得两股 电流相等．此时 就确 切地保 证 了在 ＮＭＯＳ差分 对在 ＶＤＤ共模 输 入下 和 ＰＭＯＳ差分 对在 ｇｎｄ共模 输入 下 的跨 导 相 同 ，以便 使其跨导 曲线正交时，交点处的跨导相加的和等于单个差分对导通 时的跨导．
陈思 海
（绵阳职业技术 学院 信 息工 程系 ，四川 绵 阳 ６２１０００）
摘 要 ：设计了一个基于 ＧＳＭＣ ０．１３ ｍ ３．３ Ｖ工艺的轨到轨运算放大器 ，实现 了输入与输 出摆 幅均为轨到
轨 ，开环增益达到了 ８５ ｄＢ，相位裕度保持在 ６０。以上．由于采用 ｇ ／Ｉ 的设计方 法 ，使 得设计 更加直 观 ，更 加
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图 ３ 共 模 输 入 范 围 的仿 真 电路
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图 ４ 共 模 输 入 范 围仿 真
２．２ 输出摆幅的仿真 图 ５为直接将 ＯＵＴ连接到反相输人端 ，对 同相输入端进行 ０—３．３ Ｖ的 Ｄｃ扫 描 ，查 看 ＯＵＴ节 点 电压 ．
wenku.baidu.com
收 稿 日期 ：２０１１—０９—０６ 作者简 介：陈思海 （１９６８一），男 ，重庆万州人 ，绵 阳职业技术学 院信 息工 程系副教授
第 ４期
陈思海 ：轨到轨运算放大器 的设计
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ｐ
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海 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版
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Ｖ０Ｉ＿２９ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１１
文章编 号 ：１００４—１７２９（２０１１）０４—０３５４—０４
轨 到轨 运 算 放 大器 的设 计
１ 整体结构
１．１ 输入级 输入级主体结构采用的是 电压调整结构 ，即采用一个稳压结构 ，由外部 电源供 电，产生一 个 低遗 失 内部 电压 ，使 得差 分输 入级 的增益 在整 个共模 输 入范 围下都 为 ｇ ．
同样 ，采用 ｇ ／Ｉ 的设计方法，由于增益主要来 自于折叠的差分输人对管 ，其需要驱动 的容性负载大 约为 ２ ｐＦ，所以 ｇ 计算为 １２．５６ Ａ．
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关键词 ：轨到轨运算放大器 ；带 隙基 准源 ；增益补偿
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轨到轨运算放大器中存在的主要 问题是输入级在整个共模输入范 围内不恒定 ，使得单位增益带宽发 生很大的变化 ，给频率补偿带来很大困难．目前 ，控制跨导恒定的方法很多：使用齐纳二极管使 Ｐ，Ｎ差分 输入对栅源电压之和为常数 ；使尾电流的方根之和与 Ｎ沟和 Ｐ掏 跨导成 比例 ；利用偏置 回路保持尾 电流平方根之和的恒定 ｊ．文献 ［５—６］提出了用开关管控制输入差分对尾 电流的方法 ，但该方法没有 很好地控制尾电流与共模输入同步变化．本文提 出的方法 ，采用 了先进 的 ｇ ／Ｉ 设计 ，针对 电流反馈结 构 ，增加 了直 流反馈 元件 ，消 除 了瞬态 响应 中 的振 荡 ，对 稳 压 结构 增 加 了 启 动 电路 ，消 除 了结 构所 固有 的 零态简并点 ；很好地解决 了用开关管控制输入差分对尾电流与共模输入不同步的问题．
计算得 出每条差 分通 路流 过 的电流 为 ６．２８ Ａ，每个 尾 电流源 流过 的 电流 为 １２．５６ Ａ．为 扩 大增 益 ， 将 定为 ２ ｍ，能够有 效稳 定在饱 和 区． １．２ 电流反馈结构 电路结构如图 １所示．Ｍｓｒｃ是在其支路产生输入电流，并 由其与 Ｍｓｒｃ 组成的电流 镜像到电流反馈 电路 中，结构中复制 的输入差分对管分别接到了 ２个 电源轨 ，其作用在于检测对管在 电 源轨的共模输入条件下的最大跨导 的电流，再进行 比较 ，经过 电流反馈 的调整 ，使得两股 电流相等．此时 就确 切地保 证 了在 ＮＭＯＳ差分 对在 ＶＤＤ共模 输 入下 和 ＰＭＯＳ差分 对在 ｇｎｄ共模 输入 下 的跨 导 相 同 ，以便 使其跨导 曲线正交时，交点处的跨导相加的和等于单个差分对导通 时的跨导．
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（绵阳职业技术 学院 信 息工 程系 ，四川 绵 阳 ６２１０００）
摘 要 ：设计了一个基于 ＧＳＭＣ ０．１３ ｍ ３．３ Ｖ工艺的轨到轨运算放大器 ，实现 了输入与输 出摆 幅均为轨到
轨 ，开环增益达到了 ８５ ｄＢ，相位裕度保持在 ６０。以上．由于采用 ｇ ／Ｉ 的设计方 法 ，使 得设计 更加直 观 ，更 加
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图 ４ 共 模 输 入 范 围仿 真
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收 稿 日期 ：２０１１—０９—０６ 作者简 介：陈思海 （１９６８一），男 ，重庆万州人 ，绵 阳职业技术学 院信 息工 程系副教授
第 ４期
陈思海 ：轨到轨运算放大器 的设计
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