衬底驱动轨至轨运算放大器设计

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

　　图4为运算放大器的幅频特性曲线。当电源电压取0.8 V时，得到直流开环增益为62.1 dB，单位增益带宽2.14 MHz，相位裕度52°，功耗为65.9 μW。

图4 运算放大器的幅频特性曲线

　　在运算放大器的两个输入端加相同的信号，做交流小信号分析，测出电路的共模电压增益如图5所示。在低频下，电路的共模增益为-114 dB，结合前面交流小信号分析的结果，可得出电路的共模抑制比为176.1 dB。图6为电压抑制比仿真曲线，低频时，电压抑制比约为-73.8 dB。

图5 共模电压增益

图6 电压抑制比仿真曲线

　　综上仿真结果表明，该衬底驱动运算放大器具有良好的性能。虽然运算放大器的频率带宽和线性度有所下降，但是却能有效避开阈值电压的限制，将电源电压降低到0.8 V，功耗为65.9 μW，同时实现了轨至轨的输入／输出电压范围。在传统的栅驱动轨至轨运算放大器信号通路中存在MOS管阈值电压的影响，因此限制了其在超低电源电压下的应用。

总结：本文通过采用衬底驱动互补差分对电路，有效降低了CMOS模拟集成电路对电源电压的要求，通过改进型前馈式AB类输出级来提高电压的增益，实现了超低压下运算放大器信号放大，获得了-0.36 V～0.39 V的共模输入范围和-0.39 V～0.395 V的输出电压范围。仿真得到该运算放大器具有良好的性能指标，能够有效地驱动阻性负载，且结构简单，适于低压低功耗模拟集成电路应用。