轨到轨运算放大器设计——创新电荷泵结构应用.pdf

72 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT0 引言与通用型运算放大器不同，轨到轨运算放大器扩大了输入/输出电压范围，最大限度地提高了放大器的整体性能。传统轨到轨输入级跨导会随输入共模电压变化，影响电路的许多特性，比如增益、速度和噪声1。目前轨到轨输入级常用的方法有三倍电流镜法、电流分流法、电平移位法、最大（小）电流选择法、前馈对消除法、冗余差分对法、一倍电流镜法等2。区别于以上方法，本文设计了一款跨导恒定的轨到轨运算放大器,采用电荷泵升压输入级和 AB 类输出结构,实现了轨到轨输入，且跨导变化率低于以上所述方法。轨到轨运算放大器设计创新电荷泵结构应用汤绍龙（贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025）摘要：主要探讨了创新的电荷泵轨到轨输入级和 AB 类输出结构的应用。文章首先对整体电路的功能特点进行了详细分析，解释了如何通过各个模块的协同工作实现高效率和高性能。这些模块包括带隙基准模块、振荡器模块、电荷泵模块、主运放模块。每个模块的实现方式和结构都进行了深入探讨，揭示了它们如何共同贡献于整体电路的高效运作。最后，文章通过电路仿真结果验证了所提出设计的有效性，展示了在不同条件下的性能指标，证实了这种设计在实际应用中的可行性和优势。关键词：轨到轨；运算放大器；恒定跨导中图分类号：TN722.77文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）01-0072-03Rail to Rail Operational Amplifier-Application of Innovative Charge Pump StructuresTANG Shaolong（School of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China）Abstract：The main focus was on exploring the application of innovative charge pump rail to rail input stages and AB class output structures.The article first provides a detailed analysis of the functional characteristics of the overall circuit,explaining how to achieve high efficiency and performance through the collaborative work of various modules.These modules include bandgap reference module,oscillator module,charge pump module,and main operational amplifier module.The implementation and structure of each module have been thoroughly explored,revealing how they collectively contribute to the efficient operation of the overall circuit.Finally,the effectiveness of the proposed design was verified through circuit simulation results,demonstrating its performance indicators under different conditions,and confirming the feasibility and advantages of this design in practical applications.Keywords：rail to rail；operational amplifier；constant transconductance1 整体电路功能特点分析本文设计的电荷泵升压轨到轨运算放大器电路包含带隙基准电路、偏置电路、振荡器电路、电荷泵电路、主运放电路及其修调电路。主运放中输入级为 P 管单差分对，通过电荷泵抬升尾电流源电压，使得输入共模电压范围可以达到轨到轨，输入共模电压范围为：VSSVCMVCPVDsatVGS.P （1）其中 VCP为电荷泵的输出电压。并且在共模输入范围内，输入级跨导为：（2）只要确定输入管尾电流 ID不变，输入级跨导 gm恒定。2 各模块实现及结构分析2.1 带隙基准模块收稿日期：2023-12-28作者简介：汤绍龙（2000.06-），男，苗族，贵州黔东南州人，本科，研究方向：高速高带宽运算放大器。73 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT带隙基准模块包括启动电路、ICTAT电路、IPTAT电路、基准电压电路、使能信号电路。其中与绝对温度负相关的电流为：（3）与绝对温度正相关的电流为：（4）其中 N 为 IPTAT产生电路中五管 OTA 正负输入端管发射结面积之比3。基准电压为：（5）2.2 振荡器模块振荡器为电荷泵提供周期性的方波信号，可以改变负相输入端电容及充放电电流大小，来获得不同频率的方波信号。图 1 振荡器电路当外部使能信号 ENP 为“高”时，各偏置接入，振荡器正常工作。初始状态时,由外部偏置电流 IBias 在正相输入端产生参考电压，由电流源对反相输入端电容 C1 充放电，比较器的反相输入端电压不断升高，当比较器的反相输入端电压比同相输入端电压高时，比较器输出翻转，经反馈回路控制电流沉为给电容 C1 放电，当比较器的反相输入端电压低于参考电压时，输出再一次翻转，最终输出周期性方波信号。比较器通过 M1M8OTA 和 M5、M6CrossPair 构成环路正反馈，增加有源负载阻抗来提高比较器响应速度4。在负相输入端电流沉中，存在电荷保持电容，当电容C1 需要充电时，通过该电容的电位保持，加速电容 C1 充电，增加了振荡器响应速度。2.3 电荷泵模块电荷泵模块由控制信号电路、数字部分电源产生电路、充放电电荷泵电路组成。通过两个电容器来输出恒定电压到输入级。图 2 电荷泵电路电荷泵工作时，S1、S7 开启（S2、S8 关断），S5、S3 关断（S6、S4 开启）电容 C0 充电（C1 放电）；当下一周期开始时，S1、S7 关断（S2、S8 开启），S5、S3开启（S6、S4 关断）电容 C0 放电（C1 充电）交替充放电实现输出恒定电压。电荷泵输出的电压为VA+VC0(VC1),VA为偏置电压,VC0、VC1为电容器存储电压，大小为 VDD-VSS，控制信号 S1-S7由振荡器时钟经非交叠信号电路、电容自举电路产生。2.4 主运放模块本文设计的运算放大器结构为 P 管差分对组成的折叠式共源共栅结构，经跨阻级转双端输出到 AB 类输出级：M1M9 组成折叠式共源共栅结构为第一级，M18 和M19 管组成 AB 类输出为第二级。PMOS 差分对输入级中，M3、M4 作为有源电阻，提高输入级等效输出电阻，辅助运放 Bamp 可以在初始状态时给共栅管 M7 设置栅压，并通过辅助运放内部电压反馈，稳定共栅管栅压。电路第一级增益为：AV1=-gm2ro8(r02|r06)(gm8+gmb8)|(1+AAMP)(gm11+gmb11)ro11*ro14（6）输出级增益为：AV2=-gm18(ro18|ro19)（7）辅助运放 A1、A2 通过负反馈连接增大 M11、M12管输出电阻，A1、A2 为 NMOS 差分对组成的折叠共源共栅结构5。主运放总增益为：AV=AV1*AV2 （8）输出级偏置由 M20、M22、M23、M18 组成的环路 1和 M21、M24、M25、M19 组成的环路 2 决定VB3、VB4由两个负反馈连接的运放产生，运放的正输入端接入参考电压，通过负反馈输出一个稳定的电压到VB3、VB4，电压 VB3、VB4经过两个 P 管抬升一个 VGS又下降一个 VGS后分别到达输出管 M18、M19 栅极。通过电压关系可确定输出级电流。74 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT图 3 主运放电路拉电流：VGS.M18+VGS.M23=VGS.M22+VGS.M20 （9）IM18=NIM20 （10）N 为输出管 M18 与 M20 管数量之比。推电流：VGS.M19+VGS.M25=VGS.M24+VGS.M21 （11）IM19=NIM21 （12）M 为输出管 M19 与 M21 管数量之比6。Cc1、Cc2、Rz1、Rz2 为在 AB 类输出级和输入级之间接入的密勒电容和调零电阻，将高频极点背离原点移动，使相位交点往外推。若第一级输出电阻为 R1，第二级输入电阻 R2，则主极点6 （13）高频极点 （14）零点 （15）使调零电阻阻值大于 1/gm2，提升相位裕度7。电路仿真采用 0.5umCMOS 工艺模型，在 5V 双电源供电下仿真，VSS=0V，VDD=5V。电荷泵高压内电源瞬态输出仿真：本文电荷泵高压内电源在稳定后输出 6.45V 电压，且输出电压摆幅为2mV。输入共模电压范围仿真：采用 5V 双电源供电仿真，本文设计运放可达到轨到轨输入。输出电压摆幅仿真：电源电压为 5V 时，运放输出电压到负电源轨摆幅为 2mV,到正电源轨摆幅为 7mV。表 1 输入级跨导在不同共模电压下仿真结果CORNERSSTTFF温度/252525VICM/V02.5502.5502.55Gm/ms19.862 19.862 19.866 20.406 20.406 20.408 21.317 21.318 21.320表 2 各工艺角组合下跨导随共模输入电压变化率仿真结果输入跨导变化率SSTTFF-550.01290.00910.0086250.01260.00980.00941250.01390.01170.0164运算放大器开环幅频特性曲线：直流增益为 130dB带宽 61MHz。开环相频特性曲线：相位裕度为 68。3 结束语本文基于 0.5umCMOS 工艺设计并应用了电荷泵轨到轨输入级结构的运算放大器，本设计运算放大器部分参数如表 3 所示。表 3 本设计运算放大器仿真结果参数值单位电源电压5V振荡器频率4.83MHz内电源电压6.45V内电源电压摆幅2mV直流增益130dB单位增益带宽61MHz相位裕度68跨导变化率0.0098相较于其他传统运算放大器，本设计通过电荷泵高压内电源输出高于电源电压，抬升单 PMOS 输入级差分对电压，实现共模电压输入范围到轨，并获得比其他传统运算放大器更小的跨导变化率。参考文献：1 SOLOMON J E.The monolithic opamp:a tutorial study J.IEEE Journal of Solid-State Circuits,1974,9(6):314-32.2G.Gifta and Gracia Nirmala Rani and S.Design of Low Noise,Low Power,Bulk-Driven CMOS Based Operational Transconductance Amplifier for Bios ensor ApplicationsJ.Journal of Electrical Engineering&Technology,2021,:1-15.3黄丽芳.一款采用 CMOS 工艺的轨到轨输入/输出的精密运算放大器的研究与设计D.成都:电子科技大学,2022.4孙婧雯,马奎,杨发顺.精密集成运算放大器综述.智能计算机与应用 J.2020,10(08):67-70.5 张晏榕.高带宽、低噪声和低功耗的轨至轨运算放大器设计 D.南京:东南大学,2021.6 段宁.高增益低失调轨对轨运算放大器的研究与设计 D.西安:西安科技大学,2020.7谢海情,陈玉辉,王振宇.一种低压低功耗恒跨导轨到轨运算放大器设计J.电子元件与材料,2020,39(10):65-69.