基于最小电流选择的运算放大器设计

　　本文提出了一种输入级由最小电流选择技术来稳定跨导、输出级采用浮动电流源控制的前馈AB类CMOS运算放大器。

　　1 输入级的设计

　　1.1 轨对轨运放输入级电路分析

　　通常运放输入级采用差分输入模式。在CMOS工艺中，差分放大器可通过PMOS或NMOS差分对来实现。但是，通常的差分对不能够满足轨对轨共模输入的要求，因此，实际中常采用的方法是使用NMOS和PMOS互补差分对。简单的轨对轨输入级结构如图1所示。

　　电路工作范围可分为3个区域：

　　(1)当VCM接近VSS时，NMOS差分对截止，PMOS差分对处于工作状态，gm=gmP;

　　(2)当VCM接近VDD时，PMOS差分对截止，NMOS差分对处于工作状态，gm=gmN;

　　(3)当VCM处于中间值时，两差分对均同时工作，gm=gmP+gmN。

　　但此结构存在一个重要问题，即在整个共模输入范围内，输入电路的总跨导不恒定，变化达到2倍，如图2所示。跨导的变化会引起信号的失真并给环路的增益以及运放的频率补偿带来很大的影响。因此要求输入级的跨导在整个共模输入范围内保持恒定。

　　目前跨导恒定的方法有4种：

　　(1)利用3倍电流镜偏置回路保持尾电流平方根之和恒定来获取恒定的跨导;这种方法缺点是过分依赖于理想的平方律模型，在MOS管工作在强反型层和弱反型层时不能通用。

　　(2)利用齐纳二极管使得P、N差分输入对的栅源电压之和为常数;这种技术的缺陷是二极管连接的MOS性能是其两端电压的函数，因此gm共模输入范围内仍然有一些变化。

　　(3)使用电平移位使PMOS跨导曲线左移或NMOS跨导曲线右移;这种方法最大的缺陷是需要调整，因为其性能随工艺、温度变化、最佳的直流电平的改变而改变。

　　(4)最大/最小电流选择法在电路工作时只选择其中一对电流较大的差分对作为输出。虽电路的设计比较复杂，但它的输出电流连续，不依赖于平方律模型，跨导稳定性好，MOS管可工作于所有区域。本文就是采用最小电流选择的方法设计了运放的输入级。