准浮栅的两级运算放大器 - 新型低功耗两级运算放大器设计方案

4 基于准浮栅的两级运算放大器

　　为了实现低功耗设计，我们对以上传统两级运放采用准浮栅技术进行改进，因为准浮栅技术与标准的CMOS 工艺兼容，因此我们可以利用现有的工艺，对传统的两级运算放大器进行一些改进，就可以实现低功耗的设计，在目前是一种可以快速实现且低成本的方法。

　　如图4 所示为基于准浮栅技术的两级运算放大器。为了满足电源电压下降的要求，我们采用准浮栅NMOS 差分对来代替传统的差分对，对于相类似的器件尺寸和偏置电流，PMOS输入差动对管比NMOS 输入差动对管表现出较低的跨导。因此用NMOS 做为输入对，可以比用PMOS 做为输入对的两级运算放大器[5] 得到更高的增益。

　　

 

　　图4 基于准浮栅技术的两级运算放大器

　　输入信号通过输入耦合电容C 耦合到输入管的栅极。将两个输入的NMOS 管的栅极偏置到VDD 上，因而两个输入管处于常导通的状态，从而降低了对输入信号的要求，即使输入很低电压，因为两个输入管的常导通状态，电路也能正常工作，从而也降低了对电源电压的要求，随着电源电压的下降，偏置电流也随之降低，使电路能够实现低功耗的要求。

　　采用准浮栅技术对电路进行改进后，由于该运放的输入为交流耦合电路，因此可以滤掉由输入电压所带来的直流失调。但是也从而也带来了一个缺点，准浮栅运放只对交流信号进行放大，而不能作为直流比较器。且由于在输入管引入了一个二级管连接的工作在截止区的MOS 管大电阻，因此可以判断出主极点位于输入管处，这样的一个大电阻会引起单位增益带宽的减小，但是它也会带来更大的相位裕度，使系统更稳定。我们在选择管子参数的时候，要考虑到它的具体应用环境，来决定它的性能指标。

　　准浮栅技术主要是实现低功耗问题，因此在设计中，运放的静态功耗是一个非常重要的指标，在两级运算放大器设计中，该电路的静态功耗为

　　

 

　　其中IM2为一级运放的偏置电流，IM6为二级运放的电流。可以看出为了减小运放的功耗，偏置电流应尽可能的小，但是随着电流的减小又会带来运放转换速率的减小，这需要根据设计要求进行一个折中的考虑。

　　5 设计实现与仿真

　　这次的设计中，我们采用了Chartered 0。35umCMOS 工艺，利用Spectre 对电路进行仿真分析[6] 。传统放大器因为阈值电压的影响，因此工作在± 2。5V 电压下，而采用了准浮栅技术以后，可以使电路工作在1。2V 的低压环境下，对运放做交流分析，表1 是传统放大器与改进以后的放大器性能的比较，通过比较可以看出与我们前面分析的结果一致。根据仿真的幅频和相频特性，如图5 所示，在保持增益，降低功耗的情况下，单位增益带宽较小，但也可以满足设计要求，相位裕度增加从而使系统稳定性增加。并由瞬态分析(如图6)，在降低电压和电流的情况下，摆幅依然可以到达一个理想的值。仿真结构表明这样的一个放大器可以适合在低压低功耗的环境下应用。

　　表1 传统放大器与改进以后的放大器性能的比较

　　

 

　　

 

　　图5 幅频和相频特性

　　

 

　　图6 瞬态响应特性

　　6 结论

　　本文作者创新点：利用准浮栅技术应用于传统两级运算放大器，使电路在电源电压降低的情况下，各项技术指标均可达到期望值，而功耗极大地减小，适应了目前集成电路对低功耗的要求。