衬底驱动轨至轨运算放大器设计

　　（1）如图1所示，M17、M18为输出晶体管，M15、M16、M17、M21以及M13、M14、M18、M22分别构成两个线性回路，控制输出晶体管电流。M7、M8、M9、M10均采用衬底驱动MOSFET以满足低电源电压需要。M21、M22为浮动的AB类控制电路，被嵌入共源共栅求和电路，其偏置由共源共栅结构提供，以减小传统结构中偏置电流源引入的噪声和失调。

　　（2）前馈AB类输出级可以获得较高的最大电流与静态电流比，提高电源功耗的利用率。若将M17和M18的栅极分别偏置在接近VDD-Vth和VSS+Vth时，电压的输出动态范围可以达到VSS+Vdsat～VDD-Vdsat。这样，M17和M18的静态电流很小，会降低输出级的速度。因此，应综合考虑最大输出电流、静态功耗、频响性能和电路面积之间的折衷。在此电路中，采用M21和M22作为固定输出管栅极间电压的电路，比采用电阻更节省电路面积，同时，具有降低该栅间电压对工艺、电源的敏感性等优点。

　　（3）在共源共栅结构的另一条支路加入具有与AB类控制电路相同结构的浮动电流源M19、M20，它通过共源共栅电流镜可为AB类控制电路提供稳定的偏置，以减小共模输入电压变化对AB类输出级的影响。

　　本文设计的运算放大器MOS管尺寸如表1所示。

表1 衬底轨至轨运算放大器MOS管尺寸

仿真结果#e#2 仿真结果

　　基于PTM 0.18 μm CMOS工艺的BSIM3模型，采用Hspice对衬底驱动轨至轨运放的特性进行仿真。冗余差分输入信号取0.4 V。图2为输入共模电压范围曲线，转移曲线斜率约为1的线性部分即为输入共模电压范围。从图2可测出共模输入电压范围为-0.36 V～0.39 V，达到了轨至轨输入。

图2 输入共模电压范围曲线

　　将该运算放大器接成闭环形式，反向增益为10，测量其输出电压范围，所得输出电压摆幅曲线如图3所示。从图中可以看到，输出电压摆幅约为-0.39 V～0.395 V时，基本达到轨至轨输出。至此，运算放大器已达到了轨至轨输入和轨至轨输出的设计要求。

图3 输出电压摆幅曲线