CN102340284B - 一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，包括恒定跨导控制电路、轨到轨输入级和输出级。其中，恒定跨导控制电路通过反馈控制轨到轨输入级的尾电流，使轨到轨输入运算放大器的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的2倍。同时可以通过改变参考电阻的阻值，来改变轨到轨输入运算放大器的跨导。本发明可工作在低电源电压下，具有轨到轨的共模输入范围，跨导可调，恒定跨导等优点。

Description

一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器

技术领域

本发明涉及运算放大器技术领域，尤其涉及一种低电源电压恒定跨导的轨到轨输入运算放大器。

背景技术

运算放大器是模拟集成电路中的一个重要模块。随着微电子制作工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，所能承受的电源电压也越来越低，这会限制运算放大器的性能，比如运算放大器的共模输入范围。当运算放大器用做缓冲器时，需要与输入信号范围同样大的共模输入范围。这时就需要使用轨到轨输入运算放大器以获得大的动态范围。

轨到轨输入运算放大器是一种特殊类型的放大器，其共模输入电压范围为从负电源电压轨到正电源电压轨。它的输入级由一对PMOS差分输入对和一对NMOS差分输入对组成。当共模输入电压靠近负电源电压轨，PMOS差分输入对导通，NMOS差分输入对截止；当共模输入电压靠近正电源电压轨，PMOS差分输入对截止，NMOS差分输入对导通；当共模输入电压处于正电源电压和负电源电压中间时，PMOS差分输入对和NMOS差分输入对都导通。轨到轨输入运算放大器存在的一个问题是其跨导会随着共模输入电压的变化而发生较大的变化(在有些情况下，其跨导变化可达到100％)，这有可能会使电路发生振荡。跨导反馈是目前用于实现恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的方法之一。现有的跨导反馈方法都是采用一个差分输入对来作为参考跨导，通过对输入级中的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对进行复制来得到输入级的跨导，通过反馈使二者相等，从而使输入级的跨导恒定。但在现有的电路实现方法中，由于输入级的NMOS差分输入对和复制的NMOS差分输入对具有不同的共模输入电压(前者是轨到轨的共模输入电压，而后者是一个固定的共模输入电压)，这使得二者在共模输入电压较低时，其跨导具有较大的差异，同时还要求在较高的电源电压下工作，否则会导致整个共模输入范围内跨导具有比较大的波动(比如在3V的工作电源电压下，其跨导波动在3～4％左右，而在1V时，其跨导波动在11％左右)。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器(如图1所示)，由恒定跨导控制电路(1)、轨到轨输入级(2)和输出级(3)组成；

所述恒定跨导控制电路(1)的Vinp输入端和Vinn输入端分别与外部的模拟输入信号Vinp和Vinn相连；其V_bn输出端和V_bp输出端分别与所述轨到轨输入级(2)的V_bn输入端和V_bp输入端相连；

所述轨到轨输入级(2)的Vinp输入端和Vinn输入端分别与外部的模拟输入信号Vinp和Vinn相连；其pOp，pOn，nOp和nOn四个输出端分别与所述输出级(3)的I_pinp、I_pinn、I_ninp和I_ninn四个输入端相连；

所述输出级(3)的vout输出端输出放大器的输出结果。

本发明中，恒定跨导控制电路(如图2所示)由偏置电路(1.1)，电流运算电路(1.2)和跨导反馈电路(1.3)组成；用于产生输出信号V_bp和V_bn，分别控制轨到轨输入级(2)中的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使轨到轨输入级(2)的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的2倍。其中：

所述偏置电路(1.1)有2个输出端，用于给跨导反馈电路(1.3)中的MOS管提供偏置电压V_b3和参考电压DeltaV；V_b3输出端与跨导反馈电路(1.3)中的NMOS管M₁₈和NMOS管M₁₉的栅极相连；DeltaV输出端与跨导反馈电路(1.3)中的PMOS管M₇和PMOS管M₁₇的栅极相连。

电流运算电路(1.2)有四个输出端，用于给跨导反馈电路(1.3)中的MOS管提供偏置电压；V_b4输出端与跨导反馈电路(1.3)中的PMOS管M₈的栅极相连；V_b5输出端与跨导反馈电路(1.3)中的NMOS管M₁₃的栅极相连；V_b6输出端与跨导反馈电路(1.3)中的PMOS管M₁的栅极相连；V_b7输出端与跨导反馈电路(1.3)中的NMOS管M₂的栅极相连；其功能是使NMOS管M₁₃和PMOS管M₁流过的电流与轨到轨输入级(2)中的NMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系，使NMOS管M₂和PMOS管M₈流过的电流与轨到轨输入级(2)中的PMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系。

跨导反馈电路(1.3)由23个MOS管和5个电流源组成；PMOS管M₁的漏极与电流源I₁的一端、NMOS管M₂的漏极、NMOS管M₃的漏极和栅极、NMOS管M₅的栅极共点；NMOS管M₅的漏极与PMOS管M₄的漏极和栅极、PMOS管M₆的栅极、PMOS管M₁₄的栅极共点；PMOS管M₆的漏极与PMOS管M₇的源极、PMOS管M₁₁的漏极和栅极、NMOS管M₉的漏极和栅极共点；PMOS管M₁₄的漏极与PMOS管M₁₅的源极、PMOS管M₁₂的漏极和栅极、NMOS管M₁₀的漏极和栅极共点；PMOS管M₈的漏极与PMOS管M₁₁的源极、PMOS管M₁₂的源极共点；NMOS管M₁₃的漏极与NMOS管M₉的源极、NMOS管M₁₀的源极共点；PMOS管M₇的漏极与PMOS管M₁₆的漏极、NMOS管M₂₀的漏极、NMOS管M₁₈的源极共点；PMOS管M₁₅的漏极与PMOS管M₁₇的漏极、NMOS管M₂₁的漏极、NMOS管M₁₉的源极共点；PMOS管M₁₅的栅极与PMOS管M₁₆的栅极共点，并与地GND相连；PMOS管M₁₆的源极与参考电阻R₁的一端、电流源I₂的一端共点；PMOS管M₁₇的源极与参考电阻R₁的另一端、电流源I₃的一端共点；NMOS管M₁₈的漏极与NMOS管M₂₀的栅极、NMOS管M₂₁的栅极、电流源I₄的一端共点；NMOS管M₁₉的漏极与PMOS管M₂₂的栅极、电流源I₅的一端共点，并与所述输出端V_bp相连；PMOS管M₂₂的漏极与NMOS管M₂₃的栅极和漏极共点并与所述输出端V_bn相连；PMOS管M₁的源极、PMOS管M₄的源极、PMOS管M₆的源极、PMOS管M₁₄的源极、PMOS管M₂₂的源极、电流源I₁的另一端、电流源I₂的另一端、电流源I₃的另一端、电流源I₄的另一端、电流源I₅的另一端共点并与电源电压V_DD相连；NMOS管M₂的源极、NMOS管M₃的源极、NMOS管M₅的源极、NMOS管M₂₀的源极、NMOS管M₂₁的源极、NMOS管M₂₃的源极共点并与地GND相连。

本发明中，当轨到轨输入运算放大器的共模输入电压发生变化时，所述恒定跨导控制电路(1)通过反馈，调整轨到轨输入级(2)的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使NMOS管M₉和PMOS管M₁₁的跨导之和的倒数近似与参考电阻R₁的阻值的一半相等。而NMOS管M₉和NMOS管M₁₀，PMOS管M₁₁和PMOS管M₁₂分别是轨到轨输入级(2)中NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的复制，故NMOS管M₉和PMOS管M₁₁的跨导之和与轨到轨输入级(2)的跨导相等，从而使轨到轨输入运算放大器具有恒定跨导的特性。同时，改变参考电阻R₁的阻值，可以改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现跨导可调的功能。

本发明低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器具有以下有益效果：

1、利用本发明实现的轨到轨输入运算放大器，在电源电压为1V时，在输入共模电压从0变到1V时，其跨导波动可在1.2％左右。因此本发明在用于实现低电源电压下恒定跨导的轨到轨输入运算放大器时，可在功耗和性能方面达到比较好的折衷。

2、利用本发明，可以通过调整电路中参考电阻的阻值来改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现其跨导可调。

附图说明

图1为本发明低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的体系结构图

图2为本发明恒定跨导控制电路的电路图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

图1所示为本发明提供的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的体系结构图，包括恒定跨导控制电路(1)、轨到轨输入级(2)和输出级(3)。

图2为本发明恒定跨导控制电路的电路图。

偏置电路(1.1)用来产生共栅管M₁₈和M₁₉的偏置电压。电流源I₄和电流源I₅作为由M₁₈、M₁₉、M₂₀和M₂₁组成的跨阻放大器的有源负载。

电流运算电路(1.2)用来产生MOS管M₁、M₂、M₈和M₁₃的偏置电压，使流过M₁、M₂、M₈和M₁₃的电流满足式(1)：

$I_{M_1}=0.5*K_1{I}_n,$ $I_{M_2}=0.5*K_1{I}_p,$ $I_{M_8}=I_p,$ $I_{M_{13}}=I_n---\left(1\right)$

式(1)中的I_n和I_p分别为轨到轨输入级(2)中的NMOS管的尾电流和PMOS管的尾电流，K₁为比例因子，其值可以等于1，也可以小于1。

设电流源I₂和I₃流过的电流为I，则电流源I₁的电流为：

$I_{I_1}=K_{1}I---\left(2\right)$

M₄管、M₆管和M₁₄管的宽长比之比为：1∶1/K₁∶1/K₁；这样，流过M₄，M₆管和M₁₄管的电流分别为：

$I_{M_4}=K_1(I-0.5I_p+0.5I_n),$ $I_{M_6}=(I-0.5I_p+0.5I_n),$ $I_{M_{14}}=(I-0.5I_p+0.5I_n)---\left(3\right)$

M₉和M₁₀管具有相同的宽长比，流过它们的电流分别为0.5I_n；M₁₁和M₁₂管具有相同的宽长比，流过它们的电流分别为0.5I_p；M₇管、M₁₅管、M₁₆和M₁₇管具有相同的宽长比。根据KCL定理和式(1)可知，流过M₇管、M₁₅管、M₁₆管和M₁₇管的电流为(在差分输入为零时)：

$I_{M_7}=I_{M_{15}}=I$ $I_{M_{16}}=I_{M_{17}}=I---\left(4\right)$

M₇管、M₁₅管、M₆管、M₁₄管、M₈管、M₉管、M₁₀管、M₁₃管、M₁₁管和M₁₂管构成一个跨导放大器，设其跨导为Gm1；M₁₆管、M₁₇管、R₁、I₂和I₃构成的另一个跨导放大器，设其跨导为Gm2。分别在这两个跨导放大器的输入端加上一个相同的小的差分电压(DeltaV-0)(其中DeltaV由偏置电路(1.1)产生)，通过负反馈使它们各自产生的电流变化量相等，即：Δi₁＝Gm1*DeltaV＝Δi₂＝Gm2*DeltaV，从而使这两个跨导放大器具有相同的跨导，即Gm1＝Gm2。

假设：

Gm1和Gm2分别如式(5)和式(6)所示：

$\mathrm{Gm}1=\mathrm{gm}/(2+\frac{2}{\mathrm{gmn}+\mathrm{gmp}+\mathrm{gdsn}+\mathrm{gdsp}}\mathrm{gm})---\left(5\right)$

Gm2＝gm/(2+R₁gm)            (6)

由式(5)和式(6)可得：

$R_1=\frac{2}{\mathrm{gmn}+\mathrm{gmp}+\mathrm{gdsn}+\mathrm{gdsp}}---\left(7\right)$

由于gdsn，gdsp通常远小于gmn，gmp，式(7)可写成：

$R_1\≈\frac{2}{\mathrm{gmn}+\mathrm{gmp}}---\left(8\right)$

由于M₉管和M₁₀管与轨到轨输入级(2)中的NMOS差分输入对完全相同且具有相同的尾电流，M₁₁管和M₁₂管与轨到轨输入级(2)中的PMOS差分输入对完全相同且具有相同的尾电流，轨到轨输入级的跨导gm_opa为：

gm_opa＝gmn+gmp                (9)

由式(8)和式(9)可知：轨到轨输入级的跨导，即轨到轨输入运算放大器的跨导为：

gm_opa≈2/R₁                 (10)

由式(10)可知，轨到轨输入级的跨导近似为参考电阻R₁的倒数的2倍，如果改变参考电阻R₁的值，就可以改变轨到轨输入级的跨导。

本发明提供的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器具有工作电源电压低、跨导波动小的优点。仿真结果表明，在电源电压为1V时，在输入共模电压从0变到1V时，其跨导波动可在1.2％左右。并且可通过调整电路中参考电阻的阻值来改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现其跨导可调。

Claims (1)

1.一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于：该电路由恒定跨导控制电路（1）、轨到轨输入级（2）和输出级（3）组成；

所述恒定跨导控制电路（1）的Vinp输入端和Vinn输入端分别与外部的模拟输入信号Vinp和Vinn相连；其V_bn输出端和V_bp输出端分别与所述轨到轨输入级（2）的V_bn输入端和V_bp输入端相连；

所述轨到轨输入级（2）的Vinp输入端和Vinn输入端分别与外部的模拟输入信号Vinp和Vinn相连；其pOp，pOn，nOp和nOn四个输出端分别与所述输出级（3）的I_pinp、I_pinn、I_ninp和I_ninn四个输入端相连；

所述输出级（3）的vout输出端输出放大器的输出结果；

所述恒定跨导控制电路（1）由偏置电路（1.1），电流运算电路（1.2）和跨导反馈电路（1.3）组成；

所述跨导反馈电路（1.3）的输入端为V_b3、V_b4、V_b5、V_b6、V_b7和DeltaV，输出端为V_bp和V_bn；由23个MOS管，5个电流源和一个电阻组成；PMOS管M₁的漏极与电流源I₁的一端、NMOS管M₂的漏极、NMOS管M₃的漏极和栅极、NMOS管M₅的栅极共点；PMOS管M₁的栅极与所述输入端V_b6相连；NMOS管M₂的栅极与所述输入端V_b7相连；NMOS管M₅的漏极与PMOS管M₄的漏极和栅极、PMOS管M₆的栅极、PMOS管M₁₄的栅极共点；PMOS管M₆的漏极与PMOS管M₇的源极、PMOS管M₁₁的漏极和栅极、NMOS管M₉的漏极和栅极共点；PMOS管M₁₄的漏极与PMOS管M₁₅的源极、PMOS管M₁₂的漏极和栅极、NMOS管M₁₀的漏极和栅极共点；PMOS管M₈的漏极与PMOS管M₁₁的源极、PMOS管M₁₂的源极共点；PMOS管M₈的栅极与所述输入端V_b4相连；PMOS管M₈的源极与电源电压V_DD相连；NMOS管M₁₃的漏极与NMOS管M₉的源极、NMOS管M₁₀的源极共点；NMOS管M₁₃的栅极与所述输入端V_b5相连；NMOS管M₁₃的源极与地GND相连；PMOS管M₇的漏极与PMOS管M₁₆的漏极、NMOS管M₂₀的漏极、NMOS管M₁₈的源极共点；PMOS管M₇的栅极和PMOS管M₁₇的栅极共点，并与所述输入端DeltaV相连；PMOS管M₁₅的漏极与PMOS管M₁₇的漏极、NMOS管M₂₁的漏极、NMOS管M₁₉的源极共点；PMOS管M₁₅的栅极与PMOS管M₁₆的栅极共点，并与地GND相连；PMOS管M₁₆的源极与参考电阻R₁的一端、电流源I₂的一端共点；PMOS管M₁₇的源极与参考电阻R₁的另一端、电流源I₃的一端共点；NMOS管M₁₈的漏极与NMOS管M₂₀的栅极、NMOS管M₂₁的栅极、电流源I₄的一端共点；NMOS管M₁₉的漏极与PMOS管M₂₂的栅极、电流源I₅的一端共点，并与所述输出端V_bp相连；NMOS管M₁₈的栅极和NMOS管M₁₉的栅极共点，并与所述输入端V_b3相连；PMOS管M₂₂的漏极与NMOS管M₂₃的栅极和漏极共点并与所述输出端V_bn相连；PMOS管M₁的源极、PMOS管M₄的源极、PMOS管M₆的源极、PMOS管M₁₄的源极、PMOS管M₂₂的源极、电流源I₁的另一端、电流源I₂的另一端、电流源I₃的另一端、电流源I₄的另一端、电流源I₅的另一端共点并与电源电压V_DD相连；NMOS管M₂的源极、NMOS管M₃的源极、NMOS管M₅的源极、NMOS管M₂₀的源极、NMOS管M₂₁的源极、NMOS管M₂₃的源极共点并与地GND相连；

所述偏置电路（1.1）有2个输出端，用于给跨导反馈电路（1.3）中的MOS管提供偏置电压V_b3和参考电压DeltaV；V_b3输出端与跨导反馈电路（1.3）的输入端V_b3相连；DeltaV输出端与跨导反馈电路（1.3）的输入端DeltaV相连；

所述电流运算电路（1.2）有四个输出端，用于给跨导反馈电路（1.3）中的MOS管提供偏置电压；V_b4输出端与跨导反馈电路（1.3）的输入端V_b4相连；V_b5输出端与跨导反馈电路（1.3）中的输入端V_b5相连；V_b6输出端与跨导反馈电路（1.3）中的输入端V_b6相连；V_b7输出端与跨导反馈电路（1.3）中的输入端V_b7相连，使跨导反馈电路（1.3）中的NMOS管M₁₃和PMOS管M₁流过的电流与轨到轨输入级（2）中的NMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系，使跨导反馈电路（1.3）中的NMOS管M₂和PMOS管M₈流过的电流与轨到轨输入级（2）中的PMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系；

所述恒定跨导控制电路（1）用于产生输出信号V_bp和V_bn，分别控制轨到轨输入级（2）中的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使轨到轨输入级（2）的跨导近似为跨导反馈电路（1.3）中的参考电阻R₁的阻值的倒数的2倍；

当轨到轨输入运算放大器的共模输入电压发生变化时，所述恒定跨导控制电路（1）通过反馈，调整轨到轨输入级（2）的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使跨导反馈电路（1.3）中的NMOS管M₉和PMOS管M₁₁的跨导之和的倒数近似与跨导反馈电路（1.3）中的参考电阻R₁的阻值的一半相等；而跨导反馈电路（1.3）中的NMOS管M₉和NMOS管M₁₀，PMOS管M₁₁和PMOS管M₁₂分别是轨到轨输入级（2）中NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的复制，使跨导反馈电路（1.3）中的NMOS管M₉和PMOS管M₁₁的跨导之和与轨到轨输入级（2）的跨导相等，使轨到轨输入运算放大器具有恒定跨导的特性；同时，改变跨导反馈电路（1.3）中的参考电阻R₁的阻值，以改变轨到轨输入运算放大器的跨导，实现跨导可调的功能。

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