第32卷第1期 微电子学 Vol.32,N91 2002年2月 Microelectronics Feb.2002 文章编号：1004-3365(2002)01-0046-05 与工艺无关的Rail-to-Rail CMOS运算放大器 唐长文，张洁，闵昊 (复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海200433) 摘要：设计了一种与工艺无关的Rail-to-Rail运算放大器，它采用一种新型的与工艺无关的恒 跨导Rail-to-Rail输入级结构，输入级的P管对和N管对的宽长比不需匹配特定的工艺。同时，还 采用了前馈AB类控制的rail-to-rail输出级，以保证输出级有大的动态输出范围和较强的驱动负 载的能力。在电源电压为2.7V时，整个运算放大器在0.35 um Alcatel工艺和0.6um无锡上华工 艺下模拟，其输入级跨导偏差分别为7%和14%，直流增益分别为87.9dB和78.4dB,单位增益带 宽分别为14MHz和9MHz,相位裕度为67度和75度。 关键词：运算放大器；Rail-to-Rail;恒跨导；AB类输出级 中图分类号：TN432;TN722.7+7 文献标识码：A A Robust Rail-to-Rail CMOS Operational Amplifier TANG Zhang-wen,ZHANG Jie,MIN Hao (State Key Laboratory of ASIC &Systems,Fudan Univ.,Shanghai 200433.P.R.China) Abstract:A robust rail-to-rail operational amplifier is presented,in which a new robust constant grail-to-rail input stage is employed.This new circuit is robust in that it does not require transconductance parameter matching n-and p-channel transistors for specific technology.Meanwhile,a front-feed Class AB control is aslo developed to ensure large dynamic range and strong driving capability.The whole circuit is simulated in 0.35 um Alcatel and 0.6 um Wuxi-Shanghua technology at 2.7 V power supply,respectively.The circuits have achieved a maximum transconductance deviation less than 7 and 14 %DC gain of 87.9 dB and 78.4 dB,unit gain bandwidth of 14 MHz and9MHz,and a phase margin of67°and75°，respectively. Key words:Operational amplifier;R2R(Rail to Rail):Constant transconductance;Class AB output stage EEACC:2570D;1220 B=C() (2) 1引言 集成电路工艺技术的发展，使得MOS管的特 征尺寸和电源电压不断下降。对于一个运算放大 器[]，一是要求它的输入和输出仍然有大的动态范 MP MP2 围，二是要求输出级仍然有较强的驱动能力，因此， HNS MN2 R2R(Rail-to-Rail)运算放大器就变得尤为重要。 VIN+ VIN 简单的R2R运算放大器的输入级[2]如图1所 示。它由一个PMOS输入对和一个NMOS输入对 并联构成。电路工作可分为三个区：当共模输入电压 Vem接近负电源Vss时，NMOS输入对截止，只有 图1简单的R2R输入级 PMOS输入对处于放大状态；当Vem接近正电源Vp 时，PMOS输入对截止，只有NMOS输入对处于放 式中，Bn和B分别是NMOS管和PMOS管的 大状态；当共模输入电压处于中间状态时，PMOS 跨导参数，In和I,分别是流经NMOS管和PMOS 输入对和NMOS输入均处于放大状态。图1的输入 管的电流，一般的R2R运算放大器要同时满足Bn= 级总跨导可由下式表示： Bp、In=Ip。可以看到，Vm在中间状态时，输入级跨导 gmT=gmn+gmp =√BnIn+√BpIp (1) 约变化一倍，gm变化将导致运算放大器增益、运算 收稿日期：2001-03-02；定稿日期：2001-05-05收稿日期!"##$%#&%#"’ 定稿日期!"##$%#(%#( 文章编号!$##)%&&*(+"##",#$%##)*%#( 与工艺无关的 -./01231-./04567运算放大器 唐长文8张 洁8闵 昊 +复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室8上海 "##)&&, 摘 要! 设计了一种与工艺无关的 9:;<%=>%9:;<运算放大器8它采用一种新型的与工艺无关的恒 跨导 9:;<%=>%9:;<输入级结构8输入级的 ?管对和 @管对的宽长比不需匹配特定的工艺A同时8还 采用了前馈 BC类控制的 D:;<%=>%D:;<输出级8以保证输出级有大的动态输出范围和较强的驱动负 载的能力A在电源电压为"EFG时8整个运算放大器在#E&(HI B<J:=K<工艺和#E*HI无锡上华工 艺下模拟8其输入级跨导偏差分别为FL和$)L8直流增益分别为MFENOC和FME)OC8单位增益带 宽分别为$)PQR和NPQR8相位裕度为*F度和F(度A 关键词! 运算放大器’9:;<%=>%9:;<’恒跨导’BC类输出级 中图分类号! S@)&"’S@F""EFT F 文献标识码! B U-3VWX2-./01231-./045676YZ[.2/3\.0U]Y0/^/Z[ SB@_‘a:bc%dKb8‘QB@_e;K8Pf@ Q:> +ghihjkjlminopihoploqrgstuglvhjwv8xyzi{|{}~!8g"i{#"i}"##)&&8$E%Et"}{i, UVX2[.&2! BD>’()=D:;<%=>%D:;<>*KD:=;>b:<:I*<;+;KD;)*DK)Kb=KO8;bda;Ja:bKdD>’()=J>b)=:b=#I D:;<%=>%D:;< ;b*(=)=:cK;)KI*<>,KOESa;)bKdJ;DJ(;=;)D>’()=;b=a:=;=O>K)b>=DK-(;DK=D:b)J>bO(J=:bJK*:D:IK=KDI:=Ja;bc b%:bO*%Ja:bbK<=D:b);)=>D)+>D)*KJ;+;J=KJab><>c,EPK:bda;<K8:+D>b=%+KKO.<:))BCJ>b=D><;):)<>OK/K<>*KO=> Kb)(DK<:DcKO,b:I;JD:bcK:bO)=D>bcOD;/;bcJ:*:’;<;=,ESaKda><KJ;DJ(;=;));I(<:=KO;b#E&(HI B<J:=K<:bO #E*HI 0(1;%2a:bca(:=KJab><>c,:="EFG *>dKD)(**<,8DK)*KJ=;/K<,ESaKJ;DJ(;=)a:/K:Ja;K/KO:I:1;I(I =D:b)J>bO(J=:bJKOK/;:=;>b<K))=a:bFL :bO$)L83.c:;b>+MFENOC:bOFME)OC8(b;=c:;b’:bOd;O=a>+$) PQR:bONPQR8:bO:*a:)KI:Dc;b>+*F4:bOF(48DK)*KJ=;/K<,E 5Z673[8X! 9*KD:=;>b:<:I*<;+;KD’9"9+9:;<=>9:;<,’.>b)=:b==D:b)J>bO(J=:bJK’.<:))BC>(=*(=)=:cK ::U44! "(F#3’$""# $ 引 言 集成电路工艺技术的发展8使得 P92管的特 征尺寸和电源电压不断 下 降A对 于 一 个 运 算 放 大 器;$< 8一是要求它的输入和输出仍然有大的动态范 围8二是要求输出级仍然有较强的驱动能力8因此8 9"9+9:;<%=>%9:;<,运算放大器就变得尤为重要A 简单的 9"9运算放大器的输入级;"<如图$所 示A它由一个 ?P92输入对和一个 @P92输入对 并联构成A电路工作可分为三个区!当共模输入电压 =JI接 近 负 电 源 =22时8@P92输 入 对 截 止8只 有 ?P92输入对处于放大状态’当 =JI接近正电源 =33 时8?P92输入对截止8只有 @P92输入对处于放 大状态’当共模输入电压处于中间状态时8?P92 输入对和 @P92输入均处于放大状态A图$的输入 级总跨导可由下式表示! #IS>#IbT#I*> @?bsbT @?*s* +$, ?>At>1+ B m, +", 图$ 简单的 9"9输入级 式中8?b和 ?*分别是 @P92管和 ?P92管的 跨导参数8sb和 s*分别是流经 @P92管和 ?P92 管的电流8一般的 9"9运算放大器要同时满足 ?b> C*Dsb>s*A可以看到8=JI在中间状态时8输入级跨导 约变化一倍8#IS变化将导致运算放大器增益D运算 第 &"卷第 $期 "##"年 "月 微 电 子 学 EFGHIJKJGLHIMFGN G><E&"8O $ PK’ QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ E"##