第1期 唐长文等：与工艺无关的Rail-to-Rail CMOS运算放大器 47 放大器单位增益带宽都发生变化，这种变化使频率 记为Ipmax;当Vm接近Vpm时，NMOS管对通过的最 补偿变得困难。为使gr在共模输入电压从Vs到 大电流记为Iax。首先设计一个计算电路，计算出给 Vm变化时为一定值，需要设计特定的偏置电路来满 定输入级宽长比时Imax和Inmax的值，使得BoInmax= 足√1。+√1，为一定值。 B,Imax。然后，设计一个电流控制电路，当Vm在(Vm 我们发现，即使特定的工艺做到了gmr在整个 +Vs)/2附近时，使得√B1。+√B,L,为一固定值。 共模输入电压范围内为一定值，在仅改变工艺的情 况下，同样结构、同样参数的运算放大器，其性能就 )1.2sinmax 很可能变得面目全非了。因此，在集成电路工艺不断 改进的今天，设计不随工艺变化而变化的运算放大 器或其他模拟电路具有非常重要的意义。 本文从这个思路出发，设计了这样一种新型的 与工艺无关的R2R运算放大器输入级。它从(1)式 右边表达式的整体考虑，通过设计一种独特的控制 n同 电路，实现V从Vss到Vm变化时，√Bn十√B,l。 为一定值。因为它并不要求B。=B。,运算放大器的输 入级具有对工艺的自适应性。同时，这个R2R运算 图2最大电流计算电路 放大器采用了前馈AB类控制的输出级，以保证输 3.1电流计算电路 出级有大的动态输出范围和较强的驱动负载能力。 当Vm接近Vss时，NMOS管对不导通，In为O: 2Bn=B。常跨导输入级 PMOS管对完全导通，I。为Imx;输入级跨导为： gmr=√Bla+√R,lp=√R,lpx (5) 在设计常跨导的输入级时，大多数R2R运算放 当Vm接近Vm时，PMOS管对不导通，I。为0； 大器2.3幻都假设B。=B。,那么，(1)式可进一步改写 NMOS管对完全导通，I.为Inmx;输入级跨导为： 为： gar=√Bl.十√B,l,=√Rl。m (6) gmr=gm十gp=V√F(V1n+√1。)》 (3) 为保证Vm在Vs附近和Vpn附近时，(5)式与 -民=月=0受)=4.学 (4) (6)式相等，则必须，Imax=BnInmax。我们设定Ima 的值，通过图2所示的最大电流计算电路计算出I 可以看到，只有使√1，十√1。为常数，gr在 值。NMOS管M1和Mz的宽长比与输入管对MN1 Vm从Vs到Vm范围内才为一固定值。一倍电流镜 和MN2相同，PMOS管Ms和M:的宽长比与输入管 控制、三倍电流镜控制、平方根电流控制、电流开关 Mr1和Mr2相同。Ms与Mm、M6与Ms都是4：I电流 控制等R2R运算放大器[们输入级，就是根据上述原 镜，得到下式： 理实现的。同时，4和4是与工艺密切相关的，为了 VsGs十VGs2=VsGM+VGsB (7) 使B。=B。,对应于不同的工艺选用的宽长比是不同 的，所以，在一种工艺条件下调整好的电路（结构和 2Ls+V阳+N. 2l 参数)，在另外一种工艺条件下却不能正常工作。即 使是同一工艺，由于工艺自身的偏差，也会导致4 2L+Vm十√F (8) 和，偏差10%~30%。 NMOS管M2与M1的源极都连接到Vs,所 以，阈值电压V2与V可以近似认为是相同的；同 3Bn≠B,常跨导输入级 样，PMOS管Ms与M:的源极都连接到节点5，阌 值电压V与V也可以近似认为是相同的。故(8) B。=B,的假定导致了常跨导输入级对工艺的 式可进一步改写为： 依赖性。因此，我们摒弃B。=B。的假定，从√BIn十 2竖+ 2I 21 (9) √P,1,整体考虑，并参考了文献[6]中跨导控制电 路。当Vm接近Vs时，PMOS管对通过的最大电流 再由1B1 1B3= nmax/B= 41放大器单位增益带宽都发生变化!这种变化使频率 补偿变得困难"为使 #$%在共模输入电压从 &’’到 &((变化时为一定值!需要设计特定的偏置电路来满 足 *)+, *)-为一定值" 我们发现!即使特定的工艺做到了 #$%在整个 共模输入电压范围内为一定值!在仅改变工艺的情 况下!同样结构.同样参数的运算放大器!其性能就 很可能变得面目全非了"因此!在集成电路工艺不断 改进的今天!设计不随工艺变化而变化的运算放大 器或其他模拟电路具有非常重要的意义" 本文从这个思路出发!设计了这样一种新型的 与工艺无关的 /0/运算放大器输入级"它从123式 右边表达式的整体考虑!通过设计一种独特的控制 电路!实现 &4$从 &’’到 &((变化时!*5+)+, *5-)- 为一定值"因为它并不要求 5+65-!运算放大器的输 入级具有对工艺的自适应性"同时!这个 /0/运算 放大器采用了前馈 78类控制的输出级!以保证输 出级有大的动态输出范围和较强的驱动负载能力" 0 5+65-常跨导输入级 在设计常跨导的输入级时!大多数 /0/运算放 大器90!:!;<都假设 5+65-!那么!123式可进一步改写 为= #$%6#$+,#$-6 *51*)+, *)-3 1:3 565+65-6>+?@A1 B+ C+ 36>-?@A1 B- C- 3 1;3 可 以 看 到!只 有 使 *)+, *)-为 常 数!#$%在 &4$从 &’’到 &((范围内才为一固定值"一倍电流镜 控制.三倍电流镜控制.平方根电流控制.电流开关 控制等 /0/运算放大器9D<输入级!就是根据上述原 理实现的"同时!>+和 >-是与工艺密切相关的!为了 使 5+65-!对应于不同的工艺选用的宽长比是不同 的!所以!在一种工艺条件下调整好的电路1结构和 参数3!在另外一种工艺条件下却不能正常工作"即 使是同一工艺!由于工艺自身的偏差!也会导致 >+ 和 >-偏差2EFG:EF" : 5+H5-常跨导输入级 5+65-的假定导致了常跨导输入级对工艺的 依赖性"因此!我们摒弃 5+65-的假定!从 *5+)+, *5-)-整体考虑!并参考了文献9I<中跨导控制电 路"当 &4$接近 &’’时!JKL’管对通过的最大电流 记为 )-$MAN当 &4$接近 &((时!OKL’管对通过的最 大电流记为 )+$MA"首先设计一个计算电路!计算出给 定输入级宽长比时 )-$MA和 )+$MA的值!使得 5+)+$MA6 5-)-$MA"然后!设计一个电流控制电路!当 &4$在1&(( ,&’’3P0附近时!使得 *5+)+, *5-Q-为一固定值" 图0 最大电流计算电路 RST 电流计算电路 当 &4$接 近 &’’时!OKL’管 对 不 导 通!)+为 EN JKL’管对完全导通!)-为 )-$MAN输入级跨导为= #$%6 *5+)+, *5-)-6 *5-)-$MA 1D3 当 &4$接近 &((时!JKL’管对不导通!)-为EN OKL’管对完全导通!)+为 )+$MAN输入级跨导为= #$%6 *5+)+, *5-)-6 *5+)+$MA 1I3 为 保证 &4$在 &’’附近和 &((附近时!1D3式与 1I3式相等!则必须 5-)-$MA65+)+$MA"我们设定 )+$MA 的值!通过图0所示的最大电流计算电路计算出 )-$MA 值"OKL’管 U82和 U80的宽长比与输入管对 UO2 和 UO0相同!JKL’管 U8:和 U8;的宽长比与输入管 UJ2和 UJ0相同"U8V与 U8W.U8I与 U8D都是;X2电流 镜!得到下式= &’Y8:,&Y’806&’Y8;,&Y’82 1W3 &%8:, 0)8: *5- ,&%80, 0)80 *5+ 6 &%8;, 0)8; *5- ,&%82, 0)82 *5+ 1V3 OKL’管 U80与 U82的源极都连 接 到 &’’!所 以!阈值电压 &%80与 &%82可以近似认为是相同的N同 样!JKL’管 U8:与 U8;的源极都连接到节点D!阈 值电压 &%8:与 &%8;也可以近似认为是相同的"故1V3 式可进一步改写为= 0)8: *5- , 0)80 *5+ 6 0)8; *5- , 0)82 *5+ 1Z3 再由 )826 2 ;)-$MA!)806)-$MA!)8:6 2 ;)+$MA!)8;6 第 2期 唐长文等=与工艺无关的 /M[\]^@]/M[\_KL’运算放大器 ;W