48 唐长文等：与工艺无关的Rail-to-Rail CMOS运算放大器 2002年 Imax,可得： Vr4也可以近似认为是相同的。故(12)式可以进一 PpIpmax=BnI nmax (10) 步改写为： 3.2电流控制电路 2I3 图3是一个电流控制电路，它通过对Mr,和M2 21u十NB=N3。 (13) PMOS管对电流的监测，控制通过M1和M2 再由IA=a(流过MA,管的电流)，I1=I.(流 NMOS管对的电流，从而达到常跨导的要求。 过M1管的电流)，IA4=In,IA3=Ip,(13)式两边都乘 以号√BR。,可得： V√BL+√Rla=WBln+√B,l。 (14) I。和Ia都是常数，(14)式等式左边是常数，等 式右边就是输入级的总跨导gar取1.=子1和。 图3电流控制电路 一宁，并且由(10)式可得： 前面所述的最大电流计算电路只计算出了一定 gmr=√Rl.+VB,l=V.l+√R,la= 的Inmax下的Imax值。为了做到Vm在Vss附近时 PMOS管对的最大电流是Imx和Vm在Vow附近时 NMOS管对的最大电流是Imax,需要采用一个电流 控制电路。在图3中，M和Mp组成的电流镜控制了 √R,lpm=√B.Inmax (15) 流过Mp管的最大电流，当Ms和Mr管都处于强反 综上所述，在P。≠条件下，我们实现了常跨导 型时，Mp管的电流I等于通过M管的电流Imx; 输入级。 当Mp管渐渐进入线性区，I。从Ipmx值逐渐减小。 MAs、MA和Mx管的宽长比一样，因此，流过MN管 4 前馈AB类控制的R2R输出级 的最大电流不会超过流过M管的电流，而流过 MA管的电流与MA,管是一样的，不会大于Inmx。 本文的重点在于设计与工艺无关的R2R输入 MA12、Ma1和MA2管是Mr、Mp1和Mp2管的一个 级，因此，输出级采用一般的折叠前馈式AB类结 复本，这样保证了流过M管的电流完全等于Ip。图 构2.]，如图4所示。M1和M2为输出管，Mc,和Mc12、 3实线部分是I。与I。转换的控制电路，它保证了当 Mcg和Mc1o为浮动电压源，Mc和Mc2、Mc和Mcs分 1,降为，时山增加到… 别是输入NMOS管对和PMOS管对的有源负载。 Mc,和Mc4、Mc,和Mcg分别是单管Cascode放大器。 MAg与MA1o是一个1：1电流镜，流过MA,和MA8 管的漏极电流相同，且M,和MAs宽长比相同，故 V,等于V8。这样，MA、MAB、MAg和MA1构成了一 个电压控制电路，确保节点6和节点7的电压恒相等。 MA1和MA,管的宽长比与输入管Mrm1和M2一样， MA3和M1管的宽长比与输入管MN1和MN2一样。从 图3中，可以得到下式： V6=VSGAI1+VGSBI =VSGM+VGSA3 =V7 (11) 211 2L+VT3十N√B. 23 (12) 与最大电流计算电路相类似，NMOS管MA3与 图4折叠前馈式AB类输出级 M1的源极都连接到Vs,阈值电压VTA3与V1可以 图4的AB类控制电路中包括两条回路，一条为 近似认为是相同的；同样，PMOS管MA1与MA,的 M1、Mc1、Mc14和Mc13,另一条为M2、Mc2,Mc1s和 源极分别连接到等电压节点6和7，阈值电压VT1与 Mc16,它们控制着输出管的静态电流I。为了补偿体!"#$%&可得’ ()!)#$%*("!"#$% +,-. /01 电流控制电路 图2是一个电流控制电路&它通过对 34,和 345 4678管 对 电 流 的 监 测&控 制 通 过 39,和 395 9678管对的电流&从而达到常跨导的要求: 图2 电流控制电路 前面所述的最大电流计算电路只计算出了一定 的 !"#$%下 的 !)#$%值:为 了 做 到 ;<#在 ;88附 近 时 4678管对的最大电流是 !)#$%和 ;<#在 ;==附近时 9678管对的最大电流是 !"#$%&需要采用一个电流 控制电路:在图2中&3>?和 34组成的电流镜控制了 流过 34管的最大电流&当 3>?和 34管都处于强反 型时&34管的电流 !)等于通过 3>?管的电流 !)#$%@ 当 34 管渐渐进入线性区&!)从 !)#$%值逐渐减小: 3ABC3AD和 39 管的宽长比一样&因此&流过 39 管 的 最 大 电 流 不 会 超 过 流 过 3AD管 的 电 流&而 流 过 3AD管的电流与 3AE管是一样的&不会大于 !"#$%: 3A,5C3A,和 3A5管是 34C34,和 345管的一个 复本&这样保证了流过 3A2管的电流完全等于 !):图 2实线部分是 !)与 !"转换的控制电路&它保证了当 !)降为 , E!)#$%时&!"增加到 , E!"#$%: 3AF与 3A,-是一个,G,电流镜&流过 3AH和 3A? 管的漏极电流相同&且 3AH和 3A?宽长比相同&故 ;8IH等于 ;8I?:这样&3AHC3A?C3AF和 3A,-构成了一 个电压控制电路&确保节点B和节点H的电压恒相等: 3A,,和 3AE管的宽长比与输入管 34,和 345一样& 3A2和 3>,管的宽长比与输入管 39,和 395一样:从 图2中&可以得到下式’ ;B*;8IA,,J;I8>,*;8IAEJ;I8A2*;H +,,. ;KA,,J 5!A,, L() J;K>,J 5!>, L(" * ;KAEJ 5!AE L() J;KA2J 5!A2 L(" +,5. 与最大电流计算电路相类似&9678管 3A2与 3>,的源极都连接到 ;88&阈值电压 ;KA2与 ;K>,可以 近似认为是相同的@同样&4678管 3A,,与 3AE的 源极分别连接到等电压节点B和H&阈值电压 ;KA,,与 ;KAE也可以近似认为是相同的:故+,5.式可以进一 步改写为’ 5!A,, L() J 5!>, L(" * 5!AE L() J 5!A2 L(" +,2. 再由 !A,,*!M+流过 3A,,管的电流.&!>,*!<+流 过 3>,管的电流.&!AE*!"&!A2*!)&+,2.式两边都乘 以 , 5L("()&可得’ L("!<J L()!M* L("!"J L()!) +,E. !<和 !M都是常数&+,E.式等式左边是常数&等 式右边就是输入级的总跨导 N#K:取 !<* , E!"#$%和 !M * , E!)#$%&并且由+,-.式可得’ N#K* L("!"J L()!)* L("!<J L()!M* ("O , E L !"#$%J ()O , E L !)#$%* LP)!)#$%* LP"!"#$% +,D. 综上所述&在 ("Q()条件下&我们实现了常跨导 输入级: E 前馈 A>类控制的 R5R输出级 本文的重点在于设计与工艺无关的 R5R输入 级&因此&输出级采用一般的折叠前馈式 A>类结 构S5&DT &如图E所示:3,和 35为输出管&3U,,和 3U,5C 3UF和 3U,-为浮动电压源&3U,和 3U5C3UD和 3UB分 别是输入 9678管对和 4678管对的有源负载: 3U2和 3UEC3UH和 3U?分别是单管 U$V<WMX放大器: 图E 折叠前馈式 A>类输出级 图E的 A>类控制电路中包括两条回路&一条为 3,C3U,,C3U,E和 3U,2&另 一 条 为 35C3U,5C3U,D和 3U,B&它们控制着输出管的静态电流 !Y:为了补偿体 E? 唐长文等’与工艺无关的 R$Z[\]W\R$Z[U678运算放大器 5--5年