基於SOC應用的運算放大器IP核設計

摘要：基於SOC應用，採用TSMC 0.18μm CMOS工藝，設計實現了一個低電壓、高增益的恆跨導軌到軌運算放大器IP核。該運放採用了一倍電流鏡跨導恆定方式和新型的共柵頻率補償技術，比傳統結構更加簡單高效。用Hspice對整個電路進行仿真，在1.8V電源電壓、10pF負載電容條件下，其直流開環增益達到103.5dB，相位裕度為60.5度，輸入級跨導最大偏差低於3％。

關鍵詞：運算放大器；軌到軌；共柵頻率補償；IP核

　　1引言

　　在SOC的模擬集成電路設計中，使用簡單的電路結構來實現高性能成為趨勢，SOC的設計核心是IP核設計。運算放大器是模擬電路中最重要的電路單元之一，廣泛應用於如數/模、模/數轉換器和開關電容電路中[1-2]。隨著電源電壓的不斷降低，為了提高動態範圍，軌到軌（Rail to Rail）設計變得十分重要。

　　通常採用互補差分對實現輸入級共模電壓的Rail to Rail, 但其跨導在整個輸入範圍內變化接近一倍[3]，這使得頻率補償變得很困難，運放穩定性變差。Rail to Rail運放通常需要兩個電容作為Miller補償以提供足夠的相位裕度[4]，這不僅會佔用大量的面積，也限制了單位增益帶寬。

　　從IP核的設計角度出發，本文所設計的運放採用一倍電流鏡跨導控制電路恆定輸入級跨導，這種方式結構簡單，電路晶片面積小，同時也不會增加輸入級的噪聲。輸出級採用AB類推挽結構，它能夠在低壓下實現全擺幅的輸出，並且可以在保證低失真的情況下，得到較高的電源效率。針對AB類輸出級的特殊結構，採用了一種新型的共柵頻率補償技術[5]，可以消除右半平面低頻零點，而且只需要一個補償電容，不僅提高了單位增益帶寬，也節省了晶片面積。仿真結果表明，該運放能夠在1.8V的低電源電壓下穩定工作,非常適合於低電壓SOC應用。

　　2電路結構和原理

　　2．1 Rail to Rail輸入級及跨導控制

　　為了使運放的共模輸入在整個電源範圍內變化時電路都能正常工作，採用NMOS 管和PMOS管並聯的互補差分輸入對結構來實現輸入級的Rail to Rail。根據輸入共模電壓的不同，輸入級可分為三個工作區域[6]：當共模輸入電壓接近VSS時，僅PMOS輸入對導通，輸入級跨導為 ；當共模輸入電壓接近VDD時，僅NMOS輸入對導通，跨導為 ；當共模輸入電壓處於中間值時，p 溝和n 溝輸入對均導通，跨導為：


　　由上式可知，Rail-to-Rail 結構的輸入級跨導會在整個共模輸入範圍內變化將近一倍。若將其運用於帶有反饋迴路的運放中，其環路增益也變化近一倍，必將引起失真的增大。當輸入級跨導增大一倍，則單位增益頻率增大一倍，從而導致相位裕度減小，運放穩定性變差，這也造成了頻率補償很難實現。所以必須將其改進以恆定跨導。

　　本文設計的Rail-to-Rail 輸入級工作在弱反型區，MOS管總輸入跨導可由下式給出：


　　其中， 是PMOS輸入對的尾電流， 是NMOS輸入對的尾電流， 分別是PMOS和NMOS輸入對的弱反型斜率因子。

　　由(2)式可知，工作在弱反型區的MOS管跨導與漏電流成正比。所以可通過保持互補輸入對總的尾電流恆定來穩定  。假設兩類電晶體的弱反型斜率因子相同，要得到恆定的 ，其總的尾電流應滿足：


　　滿足上述要求的Rail-to-Rail 輸入級結構如圖1所示，由通過電流開關M7和一倍電流鏡M5-M6來實現輸入級的gm 控制。若共模輸入電壓較低，電流源 偏置於PMOS輸入對M3-M4，僅有PMOS輸入管對輸入信號有放大作用。當共模輸入電壓升高到（VDD-VB1）時，電流開關M7 就會分走 的部分電流，並通過電流鏡M5-M6 將其注入到NMOS輸入對中。因此，輸入對總的尾電流恆為  。若共模輸入電壓進一步增大，PMOS輸入對截止，電流開關使得 通過電流鏡全部注入到NMOS輸入對。從而使 在整個共模輸入範圍內保持恆定。但由式（2）可知， 還與弱反型傾斜因子n有關。若NMOS與PMOS輸入對的弱反型斜率因子不等，仍會引起 的變化，可通過改變電流鏡的增益係數來得到補償。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/87489.htm

　　由於電流開關和電流鏡所佔面積相對較小，該 控制電路幾乎不會增加輸入管的尺寸大小，因此電路晶片面積小、功耗低，非常滿足IP核設計的要求。還有另一個優點是不會增加輸入級的噪聲，因為在gm控制電路中生成的噪聲夾雜在互補輸入對的尾電流中，可認為是共模信號。對Rail-to-Rail輸入級來說，若輸入管匹配，gm控制電路所產生的噪聲就可以忽略掉。

　　2．2 Rail-to-Rail輸出級及共柵補償技術

　　在Rail-to-Rail輸出級中，AB 類傳輸函數可通過保持輸出管柵極間電壓恆定來實現。採用帶有前饋AB類控制的推輓輸出結構，它能夠在低壓下實現全擺幅的輸出，並且可以在保證低失真的情況下，得到較高的電源效率。

　　用電晶體耦合直接前饋通路實現的AB 類前饋式輸出級如圖2 所示。M7、M8為Rail-to-Rail 輸出管，M1、M2 組成電晶體耦合的AB 類控制電路。Iin1和Iin2為同相位的小信號電流源。電路中的兩個迴路M2-M7 和M1-M8控制輸出管的靜態電流。當一個輸出管電流非常大時，另一個輸出管能夠保持一個最小值，而不是截止為零，避免了從截止到導通所需要的時間延遲，也減少了交越失真。

　　通常Rail-to-Rail運放是多級放大器,需要兩個(或兩個以上) 電容作為Miller 補償以提供足夠的相位裕度，這不僅會佔用大量的面積,也限制了單位增益帶寬；而且多級放大器作為輸出緩衝器時,電路的穩定性還容易隨負載電容大小的變化而改變，產生震蕩。Miller補償要求在M23 和M24 柵漏兩端分別接入兩個補償電容，其輸出極點可簡單的表示為(假設gm7等於gm8, CL 是負載電容) ：
　　由於電容的前饋通路,Miller 補償引入了一個右半平面零點zc，該零點減小了相位裕度,同時也限制了單位增益帶寬。

　　如圖2所示，針對特殊的AB類輸出級，採用M9，M10和電容CC組成的共柵頻率補償結構，可以阻止通過電容的前饋電流，並將右半平面零點移至高頻，同時也減少了一個補償電容，節省了晶片面積。假設只考慮電晶體M8 所構成的NMOS 共源輸出級，通過小信號分析可以得到，該電路引入了一個位於左半平面的零點：


　　整個放大器主極點可以近似等於：


　　其中Rout1為第一級放大電路的輸出電阻，RL為負載電阻，對於較大的RL ，輸出極點可以近似為：


　　從式中看出，輸出極點增大了約gm10Rout1倍，增加M10 (和M9) 的跨導還可將此極點移至高頻，因此採用較小CC就能實現頻率補償，獲得較高的單位增益帶寬。但是，增加gm9, gm10將會導致M9 和M10 的漏電流增加，從而減少流經M1 和M2 的電流，進一步減小M1和M2的源漏端的飽和壓降Vdsat，而流經M7和M8的電流將增加，輸出阻抗減小，最終導致放大器開環增益的降低。此外，增大gm9 , gm10還會增加等效的輸入噪聲和放大器的功耗。因此M9、M10的設計只需使得兩個極點分離足以滿足穩定性所需的相位裕度即可。流經M9 和M10 的漏電流總是相等，M9和M10的引入並不會影響放大器總體的失配；同時（7）式也說明採用較小的補償電容CC 還可以減少負載電容CL 的增加對電路頻率特性的影響。

　　3整體電路實現與仿真

　　綜上所述，電路的整體實現結構如圖3所示，由電晶體M18-M22構成的電流鏡和由M28-M31構成的電流鏡為整個電路提供偏置電流。為了減小輸入失調，儘量增大輸入電晶體面積，減小其有效柵源電壓，同時儘可能減小電流鏡和電流源的寬長比。通過減小電流開關M15的寬長比將失調變化擴展到整個共模輸入範圍，可以增加共模抑制比。

電路採用TSMC 0.18μm 1P6M CMOS數模混合工藝，基於BSIM3V3 Spice模型，10pF電容負載的條件下，用Hspice對整個電路進行仿真，電源電壓為1.8V，偏置電壓為0.8V。

　　輸入級跨導隨輸入共模電壓變化的結果如圖4所示，可以看出，輸入級跨導大約為290μS，在整個輸入共模電壓範圍內只變化3％，基本保持恆定。在0~0.4V，PMOS差分輸入對導通，NMOS差分輸入對截止，輸入級跨導為PMOS輸入對的跨導；在0.9~1.8V，輸入級跨導為NMOS輸入對的跨導；在0.4~0.9V，PMOS和NMOS差分輸入對同時導通，電流開關抽取電流會引起跨導變化，主要是由NMOS和PMOS差分輸入對的寬長比以及弱反型斜率因子的不同引起的。

　　該運放的頻率特性如圖5所示，整個電路的直流開環增益為103.5dB,相位裕度為60.5度，單位增益帶寬為18.9MHz。相比之下，採用傳統miller補償其帶寬只有9.5MHz。

　　整個放大器的設計結果如下表所示，運算放大器的整體性能較好，並且能夠在1.8V低電壓下工作，功耗低，晶片面積也大大節省。

　　4結束語

　　隨著電源電壓的降低以及晶片集成度的增加, 以IP核形式的Rail to Rail運算放大器設計較有優勢，它可以節省成本和縮短系統設計周期。本文基於0.18μm CMOS工藝設計了一個恆跨導Rail to Rail運算放大器，整個電路結構簡單緊湊，功耗低，非常適合做成SOC的IP核。

　　本文作者創新點：

　　（1） 從IP核的角度進行運算放大器的設計，使其更具有應用價值。
　　（2） 採用一倍電流鏡方式進行跨導控制，和新型的共柵頻率補償技術，使整個電路結構簡單緊湊，適合與其它電路模塊集成應用於SOC。

　　參考文獻：

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　　[6] 楊銀堂，李曉娟，朱樟明等. 低壓低功耗運算放大器結構設計技術[J]. 電路與系統學報，2005；10(4)：95-101

　　註：本課題受國家自然科學基金和部委預研基金項目支持，其經濟效益分別為27萬和15萬元，目前處於研究過程中。

　　作者簡介：唐重林（1984-），男（漢族），江西安遠人，碩士研究生，主要從事模擬集成電路設計方向研究；柴常春（1960-），男（漢族），教授，博士生導師，主要從事新型半導體器件與材料，集成電路設計方向研究。