基于最小電流選擇的運算放大器設計

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　　本文提出了一種輸入級由最小電流選擇技術來穩(wěn)定跨導、輸出級采用浮動電流源控制的前饋AB類CMOS運算放大器。

　　1 輸入級的設計

　　1.1 軌對軌運放輸入級電路分析

　　通常運放輸入級采用差分輸入模式。在CMOS工藝中，差分放大器可通過PMOS或NMOS差分對來實現(xiàn)。但是，通常的差分對不能夠滿足軌對軌共模輸入的要求，因此，實際中常采用的方法是使用NMOS和PMOS互補差分對。簡單的軌對軌輸入級結構如圖1所示。

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　　電路工作范圍可分為3個區(qū)域：

　　(1)當VCM接近VSS時，NMOS差分對截止，PMOS差分對處于工作狀態(tài)，gm=gmP;

　　(2)當VCM接近VDD時，PMOS差分對截止，NMOS差分對處于工作狀態(tài)，gm=gmN;

　　(3)當VCM處于中間值時，兩差分對均同時工作，gm=gmP+gmN。

　　但此結構存在一個重要問題，即在整個共模輸入范圍內(nèi)，輸入電路的總跨導不恒定，變化達到2倍，如圖2所示?？鐚У淖兓瘯?a target="_blank">信號的失真并給環(huán)路的增益以及運放的頻率補償帶來很大的影響。因此要求輸入級的跨導在整個共模輸入范圍內(nèi)保持恒定。

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　　目前跨導恒定的方法有4種：

　　(1)利用3倍電流鏡偏置回路保持尾電流平方根之和恒定來獲取恒定的跨導;這種方法缺點是過分依賴于理想的平方律模型，在MOS管工作在強反型層和弱反型層時不能通用。

　　(2)利用齊納二極管使得P、N差分輸入對的柵源電壓之和為常數(shù);這種技術的缺陷是二極管連接的MOS性能是其兩端電壓的函數(shù)，因此gm共模輸入范圍內(nèi)仍然有一些變化。

　　(3)使用電平移位使PMOS跨導曲線左移或NMOS跨導曲線右移;這種方法最大的缺陷是需要調(diào)整，因為其性能隨工藝、溫度變化、最佳的直流電平的改變而改變。

　　(4)最大/最小電流選擇法在電路工作時只選擇其中一對電流較大的差分對作為輸出。雖電路的設計比較復雜，但它的輸出電流連續(xù)，不依賴于平方律模型，跨導穩(wěn)定性好，MOS管可工作于所有區(qū)域。本文就是采用最小電流選擇的方法設計了運放的輸入級。