低功耗恒定跨导轨对轨运算放大器设计技术研究*

郭仲杰，何 帅，郑晓依，陈 浩，李 青

(西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安710048)

随着电子产品性能的迅速提升，电子芯片朝着低功耗方向不断发展，在各种模拟前端芯片中，作为模拟缓冲输出电路的高性能轨对轨运算放大器[1-4]越来越重要，可以说，缓冲输出电路的性能和精度决定整个芯片的性能[5]。 而降低电源电压是低功耗首要考虑的问题，运算放大器输入信号幅值会随着电源电压的降低而减小，为了提高电源电压利用率，通常需要输入端和输出端信号都要达到轨对轨[6]。轨对轨运算放大器一般采用PMOS 和NMOS 互补差分对作为输入级，可使共模输入范围达到从负电源电压到正电源电压，但当输入共模电压在中间范围时，两个差分对会同时工作，输入级跨导为单个差分对工作时的2 倍，这种跨导的大幅度变化会给频率补偿带来很大困难，这就使得保证输入级跨导恒定尤为重要。

传统实现输入级跨导恒定的方法有很多[7]，例如冗余差分对法、最小(大)电流法、电平移位法、电流镜技术[8]等。 冗余差分对法占用的芯片面积较大，同时对跨导的控制不是很理想，实际中很少采用这种结构；最小(大)电流法的功耗较大；电平移位法虽然结构简单，易于实现，但其增益无法保持恒定；电流镜技术结构较为复杂[9-10]。

本文提出一种适用于多电池组高精度监测芯片中的模拟缓冲输出电路——轨对轨运放的输入级恒跨导控制电路结构，通过模拟验证，在实现输入级跨导恒定的基础上，降低了功耗，简化了电路结构。

1 电路结构设计

1.1 基于共模电压监测技术的恒定跨导输入级设计

输入级电路如图1 所示，M1、M2构成的NMOS 输入差分对和M3、M4构成的PMOS 输入差分对并联组成传统互补差分对输入级结构，In、Ip分别是NMOS输入差分对和PMOS 输入差分对的尾电流。 传统输入级结构虽可以使共模输入电压范围达到VSS～VDD(注:在多电池高精度监测系统实际应用中共模输入电压范围为0.75 V～2.25 V)，但无法保证输入级的跨导恒定。 为了解决轨对轨运放输入级跨导的变化问题，提出一种结构简单且实用的恒定跨导控制电路，该结构由M5、M6构成的PMOS 差分对和其尾电流管M9构成，尾电流为Ic，M5和M6的栅极分别接Vcmin+和Vcmin-，即通过对共模输入电压的实时监测，由Ic动态调节In的大小以控制NMOS 输入差分对在PMOS 输入差分对进入线性区之前的共模输入范围内处于截止状态，从而保证输入级跨导恒定。

图1 本文提出的恒定跨导输入级电路

图1 中，Vb1为M7、M9提供偏置，Vb2为M8提供偏置，以保证Ip、Ic、I 三者大小相等，同时In、Ic和I三者关系由式(1)给出。

图2 单个输入差分对管跨导示意图

输入级跨导恒定原理示意图如图2 所示，横轴为共模输入电压，纵轴为输入级跨导。 V1和V2分别是NMOS、PMOS 在线性区与饱和区所需的共模输入的临界值，V1和V2的值由MOS 管的工艺决定，在本次采用的0.18 μm CMOS 工艺下其值大小分别为0.95 V 和2.05 V；gmn和gmp为NMOS 和PMOS 输入差分对单独导通时的跨导，Gm为输入级总跨导。图2 中A、B、C 三条曲线分别是NMOS 输入对管、PMOS 输入对管和补偿后NMOS 输入对管的gm随Vcmin变化示意图，图3 中D、E 两条曲线分别是补偿前和补偿后Gm随Vcmin变化示意图。 假设式gmn和gmn满足式(3)关系:

图3 补偿前后输入级总跨导随共模共模输入变化示意图

当共模输入从0.75 V 逐渐增大到V1的过程中，由图2 中可看出，PMOS 输入差分对完全导通，其跨导gmp大小等于gm，NMOS 输入差分对由线性区逐渐变为完全导通，其跨导gmn从小于gm的一个值逐渐增大到gm；由图3 可看出，当共模输入在0.75 V～V1范围内，补偿前输入级跨导Gm介于gm和2gm之间，采用提出的跨导控制结构M5、M6后，PMOS 控制结构M5、M6在0.75 V ～V1内完全导通，通过调整M5、M6的宽长比使其尾电流Ic在共模输入为V1时的大小等于I，由于I 为固定偏置，由式(1)可知当Ic等于I 时，In会被迫降为零，由式(2)知In等于零时，NMOS 输入差分对的跨导gmn为零，这样，由式(4)关系知Gm等于gm。

当共模输入从V1逐渐增大到V2的过程中:PMOS 输入差分对和NMOS 输入差分对均完全导通，补偿前输入级跨导Gm等于2gm。 采用提出的跨导控制结构M5、M6后，由前面分析知，通过调整M5、M6的宽长比使其尾电流Ic等于I，则迫使In为零，NMOS 输入差分对跨导gmn等于零，输入级总跨导Gm等于gm。

当共模输入从V2逐渐增大到2.25 V 的过程中，由图2 中可看出，NMOS 输入差分对完全导通，其跨导gmn等于gm，PMOS 输入差分对由完全导通逐渐变为不完全导通，其跨导gmp由gm逐渐减小到不等于零一个值；由图3 可看出，当共模输入在V2～2.25 V 范围内，补偿前输入级跨导Gm也介于gm和2gm之间。 加入本文提出的跨导控制结构M5、M6后，当M5、M6在共模输入小于V2时处于饱和区，其尾电流Ic等于I，此时In等于零，即gmn为零；M5、M6在共模输入大于V2时会逐渐进入线性区，Ic会逐渐减小，导致In由零逐渐增大，即gmn由零逐渐增大，与此同时，M3、M4也会由饱和区进入线性区，导致gmp由gm逐渐减小，只需通过调整M5、M6的宽长比保证在共模输入为2.25 V 时，满足gmn、gmp之和等于gm即输入级总跨导Gm保持为gm。

经上面分析可知，加入本文提出的恒定跨导控制结构可使输入级跨导在共模输入应用范围0.75 V～2.25 V 内保持恒定。

1.2 整体电路设计

本文提出的恒定跨导轨对轨运算放大器的整体电路如图4 所示，在输入级，共模输入信号经M1～M4、M17～M24构成的折叠共源共栅放大器进行幅值的放大，本文提出的恒定跨导控制结构由M5、M6和M9构成，也是本文的关键，通过动态补偿NMOS 输入差分对的尾电流In使输入级跨导在整个共模输入范围内保持恒定，降低了频率补偿的难度；在输出级[11]，由前级放大的共模输入信号经M15、M16构成的CLASS AB 类输出级，将前级输出电压VOUT1、VOUT2信号进行功率的放大[12-14]；这样保证了经轨对轨运放输出的共模信号具有高摆幅和大驱动能力的特点。 此外，轨对轨运放为二级结构，所以需要进行密勒补偿，使整个系统拥有足够的相位裕度来保证系统的稳定性，其中，R1、R2和C1、C2分别为调零电阻和密勒补偿电容。

电路主要通过设置合适的静态工作点和采用提出的跨导恒定结构来实现低功耗。 一方面通过设计MOS 管的静态工作点，使运算放大器中MOS 管的偏置电流为700 nA，保证整体电路的低功耗；另一方面采用本设计提出的跨导恒定结构，仅使用一倍的偏置电流也就是700 nA 就可对输入级跨导进行控制，进而为低功耗设计提供保证。

图4 本文提出的恒定跨导轨对轨运算放大器整体电路

2 验证结果与分析

2.1 对输入级跨导一致性的验证

为了研究电路输入级跨导的一致性，基于0.18 μm、CMOS 工艺对输入级进行了Spectre 实际的全面验证和分析。 仿真结果如图5 所示，在电源电压3.3 V 的条件下，共模输入电压从0.75 V～2.25 V 进行扫描，输入级跨导变化率为2.1%。 可见，采用提出的跨导恒定结构可以实现在整个共模输入范围内输入级跨导的稳定。

2.2 整体电路综合性能验证与分析

本文研究的高精度模拟缓冲运算放大器波特图验证曲线如图6 所示，在负载电容CL＝1 nF，负载电阻RL＝100 Ω 的条件下，增益为148 dB，相位裕度为61°。 运放的共模输入输出动态范围仿真结果由图7 所示，可以看出共模输入输出动态范围均满足轨对轨即0～3.3 V。

图5 输入级跨导随共模输入电压比变化的稳定性验证曲线

图6 运算放大器的波特图

图7 运算放大器输入输出动态范围验证曲线

本文与同类型文献对比如表1 所示，本文相对其他文献不仅可以实现宽共模输入范围，为多节电池管理系统的高精度宽范围读出提供了保障，而且在仅使用3 个MOS 管构成的控制电路就实现了较好的输入级跨导恒定，简化了电路；此外整个运放的功耗为39.6 μW，相比其他文献降低了一个数量级；同时，进行密勒补偿后使电路拥有高增益和良好的相位裕度，为高精度高速电池电压检测系统提供了良好的保障[15]。

表1 结果对比

2.3 在高精度电池管理系统实际应用中的性能验证

图8 是多电池组监测芯片应用实际中轨对轨运放精度测试示意图，旨在对轨对轨的输入输出精度一致性进行可靠性验证，在瞬态条件下，对多节电池组中的第四节电池进行选通并测试，结果如图9，可得知，芯片输入电压和输出电压的误差主要源自前级的电压采集电路，误差Δ1为0.25 mV 左右；本文设计的缓冲输出电路轨对轨运放的输入到输出的误差Δ2为0.04 mV 左右，一致性比较高；运算放大器良好的输入输出一致性为后续版图设计和流片可能带来的误差留够充足的裕量，为多电池监测芯片中模拟缓冲输出电路的实际应用提供了可靠性保障。

图8 多电池组监测芯片中轨对轨运放精度测试示意图

图9 轨对轨运放精度一致性测试结果

3 结论

本文基于0.18 μm、CMOS 工艺设计了一款应用于电动汽车电池电压监测芯片的模拟缓冲输出低压恒跨导轨对轨功率放大器，采用简单实用且可行的共模电压监测技术，在不增加额外功耗的情况下实现了输入级的恒跨导。 通过仿真验证，该运算放大器在负载电容为1 nF、负载电阻为100 Ω 的条件下，运放的开环增益达到了148 dB，相位裕度为61°，在整个电源电压的共模范围内，跨导变化率仅变化2.1%。 电路结构简单、功耗低且可以保持输入级跨导基本恒定是该模拟缓冲输出电路的突出特点，可广泛应用于未来更多节电池监测与保护系统。