导言
电源电压逐渐下降，晶体管的阈值电压并没有减小，可是运放的共模输入规模越来越小，这使规划出契合低压低功耗要求，输入动态起伏到达全摆幅的运放成为一种有必要。本文所规划的具有轨至轨（R-R）输入功用的低压低功耗CMOS运算扩大电路，在各种共模输入电平下有着简直稳定的跨导，使频率补偿更简略完成，合适应用于VLSI库单元及其相关技能领域。
理论模型
根本的轨至轨输入结构
在较低的电源电压下，运算扩大器的输 入级规划是非常重要的。传统的PMOS差动输入级的共模输入电压规模 VCM可表示为：
式中，VSS为负电源电压， VCM为共模输入电压，VDsat为源漏饱满压降，VGSP为PMOS的栅源电压。同理，NMOS差动输入级的共模输入电压规模可表示为：
式中，VGSN为NMOS的栅源电压。假如将PMOS和NMOS差分对互补衔接运用，就能够使运放的输入共模规模变为：
然后完成了轨至轨的共模输入。图1为轨至轨输入结构的电路示意图。
跨导稳定结构
图1所示的轨至轨输入级电路选用互补折叠式结构，使共模输入电压能够在整个从地到电源电压的规模内作业，假如输入级作业在饱满区，电路的跨导由下面的公式确认：
式中mn和mp别离代表NMOS和PMOS的迁移率。从上面的公式能够看出，输入级的跨导会随栅源电压和便置电流的改动而改动。因而，当共模输入电平从VDD到VSS变 化时，轨至轨输入差分对的跨导从PMOS差分对的跨导改动到PMOS +NMOS差分对的跨导之和，再改动到NMOS差分对的跨导。中心部分跨导gm简直是其它部分的一倍，这种跨导的改动会使运放的增益差错产生改动，然后使频率特性变差，因而，需求规划一种电路，使轨至轨输入电路具有稳定的跨导。
现在，可确保R-R输入级的gm稳定不变的规划办法主要有以下几种：1. 选用双极（BJT）线性互补差分对方式的输入级。 2. 由齐纳二极管将P、N差分对的偏置电流连起来完成。 3. 选用冗余的差分对来完成。4. 用电流镜技能，使偏置电流的巨细随输入共模电压的改动而改动。
上述第4种办法的电路不只结构简略，并且对gm的操控也易于完成。因而，本文运用了对输入跨导的操控原理，选用了一种 全新的坚持R-R输入级gm为常数的电路结构。
电路规划
本文所规划的电路如图2所示，该电路由输入互补差分对、稳定gm电路、共源共栅求和电路组成。M1~M4构成了输入互补差分对。当低共模输入时，P输入差分对M1、M4处于作业状况，N输入差分对M2、M3截止，开关管M17 、M18敞开，抽取M16上的电流；M13、M14截止。M15的电流悉数流入P差分对，则此区间的等效差分跨导为：
当共模输入电压在中心值邻近时， P差分对M1、M4与N差分对M2、M3均导通，操控开关M17、M18、M13、M14敞开，别离调理它们的栅电压，使其从M15、M16均抽取3/4的电流，则此区间的等效差分跨导为：
当在高共模输入区时，N差分对M2、M3作业，P差分对M1、M4截止。开关管M13、M14敞开，抽取M15上的电流，开关管M17、M18截止，M16的电流悉数流入N差分对，则此区间的等效差分跨导为：
从上面的剖析可知，只需合理挑选四个输入管子的长宽比，满意如下联系：
gm就会坚持稳定。
M5~M12为共源共栅求和电路。这种结构的输出阻抗和电压增益比较高，并且有很好的频率特性和电源按捺比。通过剖析可知，该电路结构在互补差分对替换作业的时分，当M1，M4与M2、M3不能一起处于饱满状况时，引起求和电路M5~M12的静态电流产生改动，使电路的输出电阻和极点产生少量改动，然后或许会在过渡区呈现大跨导尖峰，可是，因为这个过渡区很窄，估量这种大的尖峰不会呈现，在整个共模规模内，输入跨导根本坚持稳定。
仿真成果
本文选用TSMC公司的0.35mm工艺器材的HSpice参数模型进行仿真，得到下面的成果。图3是运放的总跨导，从图中能够看出，当共模输入电压从0V到2V改动时，整个跨导在5%以内改动，跨导在中部的改动正如上面所述，是因为 差动对替换作业时，静态电流的改动所引起的。
结语
本文所规划的运算扩大器具有2V的电源电压，150mW的功耗和75°的相位裕度，在整个共模规模内，输入级的跨导根本坚持稳定，提高了运放的功能指数。且结构简略，特别合适作为VLSI的库单元。
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