一种基于电平位移电路的低电压全摆幅CMOS运放

潘学文，周继承，郑旭强

(中南大学 物理科学与技术学院，湖南 长沙，410083)

近年来，随着CMOS工艺的发展，器件特征尺寸减小，集成电路的集成度提高, 使得集成电路向着低压低功耗的方向发展[1−2]。为了适应低压低功耗的发展趋势，低电压、高功效、高性能的模拟电路单元的设计成为人们关注的焦点[3−4]。而运算放大器作为模拟电路的最主要的组成单元，也越来越受到重视。电源电压的降低对运算放大器的最大影响就是输入和输出信号的动态幅度大大减小[5−6]。为了增加其输入、输出电压范围和信噪比，迫切需要设计具有全摆幅输入、输出能力的运算放大器。传统的全摆幅运放的实现主要是依靠互补的 PMOS 和 NMOS 的差分对来实现共模电压从0 V到电源电压的工作范围, 满足其工作条件的电源电压最小为Vsump,in=Vthn+Vthp+2Vdsat(即NMOS与PMOS的阈值电压和与负载进入饱和区电压之和，其中：Vsump,in, Vthn, Vthp和Vdsat分别为电源电压最小值、管开启电压、p管开启电压、饱和电压)[7]。当电源电压进一步降低时, 由于阈值电压和进入饱和区的电压都不会随着电源电压等比例降低, 这样 PMOS 差分输入对和 NMOS 差分输入对的工作范围将无法重合,从而导致从 Vdd−Vthp−Vdsat到 Vthn+Vdsat的范围内运放不能正常工作[8−9]。此时，若不提高工艺成本，采用低阈值电压的输入差分对，则必须对现有的电路形式进行改进。为此，本文作者针对低电源电压运算放大器设计问题，提出一种简单实用的电平位移电路[10−13]，当电源电压降至或者小于Vsump,in时，也能使运放在任何共模输入电压下正常工作，达到良好的性能。

1 电平位移电路原理分析

运算放大器的输入级是运放的重要组成部分，其主要作用是放大输入的差分信号，同时有效抑制共模信号。共模输入范围是运放输入级的一个重要参数。当在输入共模电压范围内时，即使输入很小的差分信号，输入级都能正常工作[14]。因此，在设计运放输入级时，应使共模输入电压保持在共模输入范围内。此外，运放的其他重要性能参数如输入相关噪声、失调和共模抑制比等也都是由输入级决定的[15]。

本文设计的电平位移电路由适配器和非线性电流产生器组成，其原理如图1 所示。在适配器(图1(a))中，运放的输入端(和)通过电阻连接到N型差分输入对和 P型差分输入对的输入端(，和，)，N 型差分输入对的输入端在上端，P型差分输入对的输入端在下端。非线性电流产生器产生非线性电流I(图1(b))，在中间电压区域电流I达到最大，而在接近0 V和电源电压时，电流I变得越来越小，并通过电流镜电路复制到适配器。因此，在电阻上的压降(即产生的位移电平)在中间电压区域达到最大，而在接近0 V和电源电压时，电阻上的压降越来越小。对于运放的输入共模电压，由于存在电平位移，相对地降低了N型差分输入对的开启电压，提高了P型差分输入对的截止电压，扩宽了输入级的共模输入范围。因此，当电源电压降低至甚至小于时，合理的电流I和电阻R，就能使运放在任何共模输入电压下正常工作：

式中：Vi|cm为运放输入共模电压，Vi,n|cm和Vi,p|cm分别为 NMOS 差分输入对和 PMOS差分输入对的共模电压。

图1 电平位移电路原理图Fig.1 Principle schematic of voltage level shifting

2 总体电路设计与分析

本文所设计的总体电路如图2 所示。总体电路由电平位移电路、输入级、中间放大级和输出级组成。MS1-MS12，M7-M12和4个电阻R构成了电平位移电路，其中：MS1，MS2，MS3和 MS4组成互补的PMOS 和 NMOS 的差分对，互补差分对的输入端接至运放的输入端；MS6作为 P 型差分对的电流源，其产生的电流为Ibp，通过MS7镜射至MS8；MS5作为NMOS 差分对的电流源，其产生的电流Ibn，分别通过MS9，MS10和MS11镜射至MS12，IB为恒电流源；C1和C2为补偿电容。在共模输入电压下Ibp，Ibn和I的关系如图3 所示。其中：

图2 运放总体电路图Fig.2 Schematic of whole op-amp circuit

图3 位移电路中的电流Fig.3 Currents in level-shift circuit

电流I经M7-M12组成的电流镜电路复制到输入级差分对输入端，流经电阻R产生压降，得到电平位移。由于电平位移电路中引入了电阻，运放的输入端存在直流通路，输入阻抗有所降低，会引起运放的增益有所下降等影响，但可以通过运放中间放大级来补偿。本文中，IB=10 µA，R=40 kΩ，采用CMOS 0.5 µm工艺，Vthp为−0.95 V，Vthn为0.73 V，采用1.3 V单电源供电。图4所示为运放输模电压Vi|cm，Vi,n|cm和之间的关系。从图4可看出：电平位移之差在中间电压区域达到最大，而在接近 0 V 和电源电压时越来越小。由式(1)和(2)可知：对于运放的输入共模电压，N型差分输入对的开启电压降至0.33 V，P 型差分输入对的截止电压提高至0.55 V，使得运放的输入级在任何输入共模电压下正常工作。

图4 运放输入共模电压Fig.4 Common mode voltage of op-amp

输入级由M1-M6管组成，M1和M2组成 PMOS差分对，M3和M4组成NMOS差分对。在整个共模输入电压内，输入级工作在3个区域：当共模输入电压向0 V方向变化时，PMOS差分对工作，输入跨导为(式中：βp为放大倍数，Ip为电流)；当共模输入电压为电源中间值时，2对差分对都工作，输入跨导为当共模输入电压向电源电压方向变化时，NMOS差分对工作，输入跨导为其中：为空穴或电子在沟道表面的迁移率；Cox为MOS管栅氧化层单位面积电容。设置合理的参数，使得 βn=βp且之和为常数，就能保证输入级的跨导基本保持恒定。

中间级采用适合低电压工作的低压宽摆幅共源共栅结构。折叠式共源共栅中间放大级构成加法电路，从差分对输出的电流进入此加法电路后，通过由M19和M20组成的电流镜实现双端到单端的转换，输出给下一级电路，输出级则采用较为传统的 Class A 类输出级来得到轨至轨的输出。

3 运放的仿真

运用 Hspice 仿真工具，采用 CMOS 0.50 µm 工艺以及Level49的参数模型，对图2所示运算放大器进行模拟仿真(常温下)，运放性能参数如表 1所示。采用1.3 V单电源供电，其功耗仅为178.8 µW。

表1 运放基本性能参数Table 1 Basic performances of op-amp

输入级跨导随输入共模电压变化的结果如图5所示。从图5可以看出：输入级跨导为55 µS，在整个共模电压范围内基本保持恒定，满足了运放对跨导恒定的要求。

将放大器接成开环结构，进行交流小信号分析，测量其频率响应，得到运放的频率响应和相频响应，结果如图6和图7所示。从图6可以看出：其低频增益达到了106.5 dB，单位增益带宽为2.3 MHz。从图7可以看出：相位裕度为 72˚。将放大器接成电压跟随器的形式，从0 V到电源电压进行直流扫描，测量其单位增益响应，结果如图8所示。从图8可以看出：放大器的输入输出达到了整个工作电压范围，实现了全摆幅。

图5 输入级跨导曲线Fig.5 Curve of input stage tranconductance

图6 运放幅频响应Fig.6 Amplitude-frequency response of op-amp

图7 运放幅频响应Fig.7 Phase-frequency response of op-amp

图8 运放单位增益响应Fig.8 Unity-gain response of op-amp

4 结论

(1) 提出了一种简单实用的电平位移电路，运放电路结构简单紧凑，具有实用的电平位移功能；该电路解决了阈值电压对电源电压和输入信号的受限问题，使N 型差分输入对的开启电压降至0.33 V，P 型差分输入对的截止电压提高至0.55 V。因此，运放可在任何共模输入电压下正常工作，并能保持输入级的跨导为常数，从而使运算放大器电路的电路特性不随共模输入电压的变化而发生改变。

(2) 运放实现了低电压全摆幅特性，具有较好的性能指标。与国内外同类型的运放相比，本文设计的运放在直流开环增益、转换速率等性能指标较优，但是，静态工作电流和相位裕度较大。运放可在模拟电路设计和混合信号VLSI设计中广泛应用。

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