1引言

    隨著便攜式消費(fèi)電子需求的日益增長(zhǎng)，低壓、低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)之一。趨勢(shì)表明[1]，電壓的降低給模擬電路設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。就低壓運(yùn)放設(shè)計(jì)而言，一般傳統(tǒng)采用互補(bǔ)差分對(duì)輸入級(jí)以實(shí)現(xiàn)滿幅度輸入范圍，然而，當(dāng)電源電壓低于Vt.NMOS+|Vt.PMOS|+VDS，PMOS-|VDS，PMOS|時(shí)，差分對(duì)會(huì)出現(xiàn)截止區(qū)，導(dǎo)致最小電源電壓要高于2個(gè)閾值電壓與2個(gè)過飽和電壓之和。0.35μm工藝下Vt，NMOS的典型值為0.52V，Vt，PMOS的典型值為-0.75V，則傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最小工作電壓只能在1.4V左右。為了避免采用復(fù)雜工藝實(shí)現(xiàn)電源電壓低于1V的運(yùn)算放大器而增加產(chǎn)品成本。見文獻(xiàn)[2-4]的電路結(jié)構(gòu)采用共模電平偏移的電路結(jié)構(gòu)，箝位共模電平，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了低電壓運(yùn)算放大器。

    已有文獻(xiàn)[2]采用PMOS差分對(duì)來實(shí)現(xiàn)電源電壓為1V的運(yùn)算放大器，但由于Vt，PMOS的典型值為-0.75V，使得前置反饋電路的工作電平范圍為1-0.15V，幾乎涵蓋整個(gè)共模電平范圍，運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性降低，另外，該結(jié)構(gòu)下的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)也會(huì)受體效應(yīng)的影響，影響增益的恒定性。本文采用NMOS差分對(duì)結(jié)構(gòu)，還對(duì)前置反饋電平偏移電路進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，使電源電壓降為0.9V的同時(shí)，提高了增益的恒定性。

2 設(shè)計(jì)的基本思路

    基于前置反饋的電平偏移電路的設(shè)計(jì)如圖1，Vi+，Vi-的共模電平Vi，cm低于Vref時(shí)，通過反饋電路控制電流源獲得適當(dāng)?shù)碾娏鱅，Vin+，Vin-的共模電平Vin，cm提升到Vref，同時(shí)電阻傳遞完整的差模信號(hào)，再由Vin+，Vin-連接NMOS差分對(duì)來實(shí)現(xiàn)整體電路，如圖1所示。

 
3 運(yùn)算放大器的具體實(shí)現(xiàn)

    反饋電路的實(shí)現(xiàn)如圖2所示，其反饋過程如下：Vi+，Vi-的共模電平Vi，cm降低時(shí)，Vin+，Vin-的共模電Vin，cm降低，此時(shí)IDM1減小，IDM11增大，Vx點(diǎn)的電位升高，IDM8增大，電阻的端電壓增大，Vin，cm升高。若Vref過高，由于Ib的大小和電流鏡工作電壓的限制，Vin，cm不會(huì)上升到Vtel的電平。為了M5與M6，M7的漏源電壓近似相等，引入M12增強(qiáng)電流鏡的匹配。

    下面對(duì)反饋環(huán)路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，運(yùn)放A的開環(huán)增益為：

    由式（5）可以看出，電路工作時(shí)，需要保持M8漏源電壓較小，則寬長(zhǎng)較大，在相同的漏源電流下，Gm8不可能很小。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)放A的跨導(dǎo)Gm1應(yīng)該可能小，補(bǔ)償電容C應(yīng)該較大，同時(shí)在版圖設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意減小寄生電容Cp，以增強(qiáng)反饋的穩(wěn)定性。

    采用NMOS差分對(duì)的低壓運(yùn)算放大器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其兩級(jí)直流增益可以分別為：

Av1=gmt1[rot8//gmt6rot6+1]rot4] （6）

Av2=gmt9（rot9//rot10） （7）

    其中，gmt1，gmt6，gmt9分別為MT1，MT6，MT9的跨導(dǎo)，rot4，rot6，rot9，rot10分別為對(duì)應(yīng)MOS管的輸出電阻。

    在設(shè)計(jì)電路過程中，MOS管應(yīng)較大寬長(zhǎng)比，保持漏源電壓較小的同時(shí)，偏置電流也應(yīng)適當(dāng)減小，此時(shí)輸出電阻較大，隨共模電平波動(dòng)也小，有助于低壓下獲得較大且穩(wěn)定的增益。

4 模擬結(jié)果

    在0.9V電源電壓下，為使M3，M4工作在放大區(qū)，Vret可在0.62-1V之間取任意值，圖4結(jié)果顯示，在0-0.9V的共模電平范圍內(nèi)，當(dāng)輸入端共模電平Vi，cm＜0.62V時(shí)，此時(shí)反饋電路使得M1，M2工作在放大區(qū)，內(nèi)部共模電平Vin，cm保持0.62V恒定；Vi，cm＞0.62V時(shí)，Vx電位降低，反饋電路停止工作，Vin，cm隨Vi，cm增大而增大。

    在10pF外接負(fù)載情況下，交流特性如圖5所示。
    在滿幅度范圍內(nèi)，運(yùn)算放大器的滯留增益，單位增益帶寬和相位裕度相當(dāng)穩(wěn)定，具體參數(shù)如表1所示。
5 結(jié)論

    本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了電源電壓低至0.9V的運(yùn)算放大器。模擬結(jié)果顯示，在整個(gè)滿幅度范圍內(nèi)，該運(yùn)算放大器增益波動(dòng)僅為0.01%，可用于低壓低功耗的 SOC設(shè)計(jì)中。