一种宽带轨对轨运算放大器设计

　　非恒定跨导是轨对轨运放中存在的主要问题之一，实现恒跨导的方法有多种。其中电平移位法需要及时调整，具有电路不稳定的缺点。齐纳二极管恒压法可以节约芯片面积，降低功耗，但对跨导控制不是很理想。最大电流选择法的电路设计比较复杂。本文采用电流镜改变互补差分对管的尾电流来实现恒跨导。

　　通过电流镜改变互补差分对管的尾电流来使跨导恒定。基于式(2)，式(3)，可采用3倍电流镜和电流开关使2个差分对管单独工作时的电流为原来单独导通时的4倍，这样整个输入级的跨导就可以保持恒定。通过给开关管加固定偏压来控制输入差分对管尾电流的变化，进行偏压选取，使尾电流的变化和输入电压同步变化。

　　运算放大器整个电路组成如图2所示，在输入级中，PMOS差分对M1，M2和NMOS差分对M3，M4组成互补差分对，2个开关管M5，M8分别控制3倍电流镜M6，M7和M9，M10产生4倍尾电流，控制电路的输入差分对管尾电流。MOS管M51，M52，M53以及电压源VB1，VB2，电流源IB1组成偏置电路，给M5提供所需电压。当Vcm接近于Vss时，M1，M2，M3导通，M5截止，则尾电流经开关管M8和3倍电流镜M9，M10给PMOS差分对提供4倍尾电流;当Vcm接近于Vdd时，M3，M4，M5导通，M8截止，则尾电流经开关管M5和3倍电流镜M6，M7给PMOS差分对提供4倍尾电流;当Vcm处于中间状态时，开关管M5，M8均截止，此时仅MOS管MA，MB作为电流源提供尾电流。从而，可以得到恒定的跨导。

　　2 输出级

　　2.1 AB类输出级

　　运算放大器的输出级可在允许失真范围内将功率传输给负载，对高性能运放来讲，要求输出级可以向负载传输正、负双向电流，提供尽可能大的输出电压摆幅，同时要求拥有高的效率、小的失真及良好的频率特性。因此，为了最大效率地利用电源，输出级必须具有大的输出摆幅和尽可能小的静态电流。为此可采用AB类的输出级。

　　AB类输出级结合了A类和B类优点，在静态功耗及输出电流方面做出了折衷，大大减小了交越失真，同时实现了较大的输出电流。为了减少芯片面积，可将AB类驱动电路放入折叠共源共栅求和电路中去，由于浮动AB类控制器可以产生有别于供电电压的静态电流，在输出级中采用叠接二极管电路，可以对AB类控制器产生栅压偏置。如图2所示。浮动电流源M21，M22对于折叠共源共栅电流求和电路和AB类控制器产生偏置，其与图3所示的AB类驱动电路中M19，M20有着相同的结构，这样，输出管M27，M28的静态电流不会受到输入共模电压的影响。

　　由于MOS晶体管的栅源电压的限制，为了获得轨对轨的输出范围，在输出级使用共源级的晶体管是必须的。图3所示的为该运算放大器的AB类输出级，M21，M22，IB5和M28，M24，IB8分别提供晶体管M20，M19的栅极偏置电压。M25，M26的静态电流分别由M21，M22，M20，IB7，IB6，IB5和M23，M24，M19，IB7，IB6，IB8确定;输出级工作时M25，M26的栅极电压差是稳定的，并以此来保证该输出级为AB类输出级。该输出级的缺点是输出管M25，M26的静态电流会受到输入共模电压的影响。图2中采用MOS管M31～M35，M26，M27组成的偏置电路来提供电路所需电流。