基于SOC应用的运算放大器IP核设计

摘要：基于SOC应用，采用TSMC 0.18μm CMOS工艺，设计实现了一个低电压、高增益的恒跨导轨到轨运算放大器IP核。该运放采用了一倍电流镜跨导恒定方式和新型的共栅频率补偿技术，比传统结构更加简单高效。用Hspice对整个电路进行仿真，在1.8V电源电压、10pF负载电容条件下，其直流开环增益达到103.5dB，相位裕度为60.5度，输入级跨导最大偏差低于3％。

关键词：运算放大器；轨到轨；共栅频率补偿；IP核

　　1引言

　　在SOC的模拟集成电路设计中，使用简单的电路结构来实现高性能成为趋势，SOC的设计核心是IP核设计。运算放大器是模拟电路中最重要的电路单元之一，广泛应用于如数/模、模/数转换器和开关电容电路中[1-2]。随着电源电压的不断降低，为了提高动态范围，轨到轨（Rail to Rail）设计变得十分重要。

　　通常采用互补差分对实现输入级共模电压的Rail to Rail, 但其跨导在整个输入范围内变化接近一倍[3]，这使得频率补偿变得很困难，运放稳定性变差。Rail to Rail运放通常需要两个电容作为Miller补偿以提供足够的相位裕度[4]，这不仅会占用大量的面积，也限制了单位增益带宽。

　　从IP核的设计角度出发，本文所设计的运放采用一倍电流镜跨导控制电路恒定输入级跨导，这种方式结构简单，电路芯片面积小，同时也不会增加输入级的噪声。输出级采用AB类推挽结构，它能够在低压下实现全摆幅的输出，并且可以在保证低失真的情况下，得到较高的电源效率。针对AB类输出级的特殊结构，采用了一种新型的共栅频率补偿技术[5]，可以消除右半平面低频零点，而且只需要一个补偿电容，不仅提高了单位增益带宽，也节省了芯片面积。仿真结果表明，该运放能够在1.8V的低电源电压下稳定工作,非常适合于低电压SOC应用。

　　2电路结构和原理

　　2．1 Rail to Rail输入级及跨导控制

　　为了使运放的共模输入在整个电源范围内变化时电路都能正常工作，采用NMOS 管和PMOS管并联的互补差分输入对结构来实现输入级的Rail to Rail。根据输入共模电压的不同，输入级可分为三个工作区域[6]：当共模输入电压接近VSS时，仅PMOS输入对导通，输入级跨导为 ；当共模输入电压接近VDD时，仅NMOS输入对导通，跨导为 ；当共模输入电压处于中间值时，p 沟和n 沟输入对均导通，跨导为：


　　由上式可知，Rail-to-Rail 结构的输入级跨导会在整个共模输入范围内变化将近一倍。若将其运用于带有反馈回路的运放中，其环路增益也变化近一倍，必将引起失真的增大。当输入级跨导增大一倍，则单位增益频率增大一倍，从而导致相位裕度减小，运放稳定性变差，这也造成了频率补偿很难实现。所以必须将其改进以恒定跨导。

　　本文设计的Rail-to-Rail 输入级工作在弱反型区，MOS管总输入跨导可由下式给出：


　　其中， 是PMOS输入对的尾电流， 是NMOS输入对的尾电流， 分别是PMOS和NMOS输入对的弱反型斜率因子。

　　由(2)式可知，工作在弱反型区的MOS管跨导与漏电流成正比。所以可通过保持互补输入对总的尾电流恒定来稳定  。假设两类晶体管的弱反型斜率因子相同，要得到恒定的 ，其总的尾电流应满足：


　　满足上述要求的Rail-to-Rail 输入级结构如图1所示，由通过电流开关M7和一倍电流镜M5-M6来实现输入级的gm 控制。若共模输入电压较低，电流源 偏置于PMOS输入对M3-M4，仅有PMOS输入管对输入信号有放大作用。当共模输入电压升高到（VDD-VB1）时，电流开关M7 就会分走 的部分电流，并通过电流镜M5-M6 将其注入到NMOS输入对中。因此，输入对总的尾电流恒为  。若共模输入电压进一步增大，PMOS输入对截止，电流开关使得 通过电流镜全部注入到NMOS输入对。从而使 在整个共模输入范围内保持恒定。但由式（2）可知， 还与弱反型倾斜因子n有关。若NMOS与PMOS输入对的弱反型斜率因子不等，仍会引起 的变化，可通过改变电流镜的增益系数来得到补偿。

　　由于电流开关和电流镜所占面积相对较小，该 控制电路几乎不会增加输入管的尺寸大小，因此电路芯片面积小、功耗低，非常满足IP核设计的要求。还有另一个优点是不会增加输入级的噪声，因为在gm控制电路中生成的噪声夹杂在互补输入对的尾电流中，可认为是共模信号。对Rail-to-Rail输入级来说，若输入管匹配，gm控制电路所产生的噪声就可以忽略掉。

　　2．2 Rail-to-Rail输出级及共栅补偿技术

　　在Rail-to-Rail输出级中，AB 类传输函数可通过保持输出管栅极间电压恒定来实现。采用带有前馈AB类控制的推挽输出结构，它能够在低压下实现全摆幅的输出，并且可以在保证低失真的情况下，得到较高的电源效率。

　　用晶体管耦合直接前馈通路实现的AB 类前馈式输出级如图2 所示。M7、M8为Rail-to-Rail 输出管，M1、M2 组成晶体管耦合的AB 类控制电路。Iin1和Iin2为同相位的小信号电流源。电路中的两个回路M2-M7 和M1-M8控制输出管的静态电流。当一个输出管电流非常大时，另一个输出管能够保持一个最小值，而不是截止为零，避免了从截止到导通所需要的时间延迟，也减少了交越失真。

　　通常Rail-to-Rail运放是多级放大器,需要两个(或两个以上) 电容作为Miller 补偿以提供足够的相位裕度，这不仅会占用大量的面积,也限制了单位增益带宽；而且多级放大器作为输出缓冲器时,电路的稳定性还容易随负载电容大小的变化而改变，产生震荡。Miller补偿要求在M23 和M24 栅漏两端分别接入两个补偿电容，其输出极点可简单的表示为(假设gm7等于gm8, CL 是负载电容) ：
　　由于电容的前馈通路,Miller 补偿引入了一个右半平面零点zc，该零点减小了相位裕度,同时也限制了单位增益带宽。

　　如图2所示，针对特殊的AB类输出级，采用M9，M10和电容CC组成的共栅频率补偿结构，可以阻止通过电容的前馈电流，并将右半平面零点移至高频，同时也减少了一个补偿电容，节省了芯片面积。假设只考虑晶体管M8 所构成的NMOS 共源输出级，通过小信号分析可以得到，该电路引入了一个位于左半平面的零点：


　　整个放大器主极点可以近似等于：


　　其中Rout1为第一级放大电路的输出电阻，RL为负载电阻，对于较大的RL ，输出极点可以近似为：


　　从式中看出，输出极点增大了约gm10Rout1倍，增加M10 (和M9) 的跨导还可将此极点移至高频，因此采用较小CC就能实现频率补偿，获得较高的单位增益带宽。但是，增加gm9, gm10将会导致M9 和M10 的漏电流增加，从而减少流经M1 和M2 的电流，进一步减小M1和M2的源漏端的饱和压降Vdsat，而流经M7和M8的电流将增加，输出阻抗减小，最终导致放大器开环增益的降低。此外，增大gm9 , gm10还会增加等效的输入噪声和放大器的功耗。因此M9、M10的设计只需使得两个极点分离足以满足稳定性所需的相位裕度即可。流经M9 和M10 的漏电流总是相等，M9和M10的引入并不会影响放大器总体的失配；同时（7）式也说明采用较小的补偿电容CC 还可以减少负载电容CL 的增加对电路频率特性的影响。

　　3整体电路实现与仿真

　　综上所述，电路的整体实现结构如图3所示，由晶体管M18-M22构成的电流镜和由M28-M31构成的电流镜为整个电路提供偏置电流。为了减小输入失调，尽量增大输入晶体管面积，减小其有效栅源电压，同时尽可能减小电流镜和电流源的宽长比。通过减小电流开关M15的宽长比将失调变化扩展到整个共模输入范围，可以增加共模抑制比。

电路采用TSMC 0.18μm 1P6M CMOS数模混合工艺，基于BSIM3V3 Spice模型，10pF电容负载的条件下，用Hspice对整个电路进行仿真，电源电压为1.8V，偏置电压为0.8V。

　　输入级跨导随输入共模电压变化的结果如图4所示，可以看出，输入级跨导大约为290μS，在整个输入共模电压范围内只变化3％，基本保持恒定。在0~0.4V，PMOS差分输入对导通，NMOS差分输入对截止，输入级跨导为PMOS输入对的跨导；在0.9~1.8V，输入级跨导为NMOS输入对的跨导；在0.4~0.9V，PMOS和NMOS差分输入对同时导通，电流开关抽取电流会引起跨导变化，主要是由NMOS和PMOS差分输入对的宽长比以及弱反型斜率因子的不同引起的。

　　该运放的频率特性如图5所示，整个电路的直流开环增益为103.5dB,相位裕度为60.5度，单位增益带宽为18.9MHz。相比之下，采用传统miller补偿其带宽只有9.5MHz。

　　整个放大器的设计结果如下表所示，运算放大器的整体性能较好，并且能够在1.8V低电压下工作，功耗低，芯片面积也大大节省。

　　4结束语

　　随着电源电压的降低以及芯片集成度的增加, 以IP核形式的Rail to Rail运算放大器设计较有优势，它可以节省成本和缩短系统设计周期。本文基于0.18μm CMOS工艺设计了一个恒跨导Rail to Rail运算放大器，整个电路结构简单紧凑，功耗低，非常适合做成SOC的IP核。

　　本文作者创新点：

　　（1） 从IP核的角度进行运算放大器的设计，使其更具有应用价值。
　　（2） 采用一倍电流镜方式进行跨导控制，和新型的共栅频率补偿技术，使整个电路结构简单紧凑，适合与其它电路模块集成应用于SOC。

　　参考文献：

　　[1] Trung K N, Sang G L. Low-voltage, low-power CMOS operation transconductance amplifier with Rail-to-Rail differential input range [J]. IEEE ISCAS. 2006; 10:1639-1642
　　[2] 候卫卫，冯全源.一种高性能单位增益放大器[J].微计算机信息，2007；2-2：291-293
　　[3] Juan. M. Carrillo, Francisco J, Duque-carrillo, et al. Constant-gm constant-slew-rate high-bandwidth low-voltage Rail-to-Rail CMOS input stage for VLSI cell libraries [J]. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2003; 38(1): 165-168
　　[4] Loikkanen M, Kostamovaara J. Low voltage CMOS power amplifier with rail-to-rail input and output [J]. Analog Integral Circuits Process, 2006, 46(2) :183
　　[5] 王为之，靳东明. 一种采用共栅频率补偿的轨到轨输入/输出放大器[J]. 半导体学报，2006；27(11)：2026-2028
　　[6] 杨银堂，李晓娟，朱樟明等. 低压低功耗运算放大器结构设计技术[J]. 电路与系统学报，2005；10(4)：95-101

　　注：本课题受国家自然科学基金和部委预研基金项目支持，其经济效益分别为27万和15万元，目前处于研究过程中。

　　作者简介：唐重林（1984-），男（汉族），江西安远人，硕士研究生，主要从事模拟集成电路设计方向研究；柴常春（1960-），男（汉族），教授，博士生导师，主要从事新型半导体器件与材料，集成电路设计方向研究。