一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器.pdf

摘要
申请专利号：	CN201010236020.0	申请日：	2010.07.23
公开号：	CN102340284A	公开日：	2012.02.01
当前法律状态：	终止	有效性：	无权
法律详情：	未缴年费专利权终止IPC(主分类):H03F 3/45申请日:20100723授权公告日:20140305终止日期:20160723\|\|\|授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H03F 3/45申请日:20100723\|\|\|公开
IPC分类号：	H03F3/45; H03F1/30	主分类号：	H03F3/45
申请人：	复旦大学
发明人：	戴姗姗; 易婷; 洪志良
地址：	200433 上海市邯郸路220号
优先权：
专利代理机构：	上海正旦专利代理有限公司 31200	代理人：	包兆宜
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内容摘要

本发明涉及一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，包括恒定跨导控制电路、轨到轨输入级和输出级。其中，恒定跨导控制电路通过反馈控制轨到轨输入级的尾电流，使轨到轨输入运算放大器的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的2倍。同时可以通过改变参考电阻的阻值，来改变轨到轨输入运算放大器的跨导。本发明可工作在低电源电压下，具有轨到轨的共模输入范围，跨导可调，恒定跨导等优点。

权利要求书

1：一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于：由恒定跨导控制电路 (1)、轨到轨输入级 (2) 和输出级 (3) 组成；所述恒定跨导控制电路 (1) 的 Vinp 输入端和 Vinn 输入端分别与外部的模拟输入信号 Vinp 和 Vinn 相连；其 Vbn 输出端和 Vbp 输出端分别与所述轨到轨输入级 (2) 的 Vbn 输入端和 Vbp 输入端相连；所述轨到轨输入级 (2) 的 Vinp 输入端和 Vinn 输入端分别与外部的模拟输入信号 Vinp 和 Vinn 相连；其 pOp， pOn， nOp 和 nOn 四个输出端分别与所述输出级 (3) 的 I_pinp、 I_pinn、 I_ninp 和 I_ninn 四个输入端相连；所述输出级 (3) 的 vout 输出端输出放大器的输出结果。
2：根据权利要求 1 所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于：所述恒定跨导控制电路 (1) 由偏置电路 (1.1)，电流运算电路 (1.2) 和跨导反馈电路 (1.3) 组成；用于产生输出信号 Vbp 和 Vbn，分别控制轨到轨输入级 (2) 中的 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对的尾电流，使轨到轨输入级 (2) 的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的 2 倍。
3：根据权利要求 2 所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于：所述偏置电路 (1.1) 有 2 个输出端，用于给跨导反馈电路 (1.3) 中的 MOS 管提供偏置电压 Vb3 和参考电压 DeltaV ； Vb3 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 NMOS 管 M18 和 NMOS 管 M19 的栅极相连； DeltaV 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 PMOS 管 M7 和 PMOS 管 M17 的栅极相连。
4：根据权利要求 2 所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于：所述的电流运算电路 (1.2) 有四个输出端，用于给跨导反馈电路 (1.3) 中的 MOS 管提供偏置电压； Vb4 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 PMOS 管 M8 的栅极相连； Vb5 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 NMOS 管 M13 的栅极相连； Vb6 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 PMOS 管 M1 的栅极相连； Vb7 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 NMOS 管 M2 的栅极相连；使 NMOS 管 M13 和 PMOS 管 M1 流过的电流与轨到轨输入级 (2) 中的 NMOS 差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系，使 NMOS 管 M2 和 PMOS 管 M8 流过的电流与轨到轨输入级 (2) 中的 PMOS 差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系。
5：根据权利要求 2 所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于：所述的跨导反馈电路 (1.3) 由 23 个 MOS 管和 5 个电流源组成； PMOS 管 M1 的漏极与电流源 I1 的一端、 NMOS 管 M2 的漏极、 NMOS 管 M3 的漏极和栅极、 NMOS 管 M5 的栅极共点； NMOS 管 M5 的漏极与 PMOS 管 M4 的漏极和栅极、 PMOS 管 M6 的栅极、 PMOS 管 M14 的栅极共点； PMOS 管 M6 的漏极与 PMOS 管 M7 的源极、 PMOS 管 M11 的漏极和栅极、 NMOS 管 M9 的漏极和栅极共点； PMOS 管 M14 的漏极与 PMOS 管 M15 的源极、 PMOS 管 M12 的漏极和栅极、 NMOS 管 M10 的漏极和栅极共点； PMOS 管 M8 的漏极与 PMOS 管 M11 的源极、 PMOS 管 M12 的源极共点； NMOS 管 M13 的漏极与 NMOS 管 M9 的源极、 NMOS 管 M10 的源极共点； PMOS 管 M7 的漏极与 PMOS 管 M16 的漏极、 NMOS 管 M20 的漏极、 NMOS 管 M18 的源极共点； PMOS 管 M15 的漏极与 PMOS 管 M17 的漏极、 NMOS 管 M21 的漏极、 NMOS 管 M19 的源极共点； PMOS 管 M15 的栅极与 PMOS 管 M16 的栅极共点，并与地 GND 相连； PMOS 管 M16 的源极与参考电阻 R1 的一端、电流源 I2 的一端共点； PMOS 管 M17 的源极与参考电阻 R1 的另一端、电流源 I3 的一端共点； NMOS 管 M18 的漏极与 NMOS 管 2 M20 的栅极、 NMOS 管 M21 的栅极、电流源 I4 的一端共点； NMOS 管 M19 的漏极与 PMOS 管 M22 的栅极、电流源 I5 的一端共点，并与所述输出端 Vbp 相连； PMOS 管 M22 的漏极与 NMOS 管 M23 的栅极和漏极共点并与所述输出端 Vbn 相连； PMOS 管 M1 的源极、 PMOS 管 M4 的源极、 PMOS 管 M6 的源极、 PMOS 管 M14 的源极、 PMOS 管 M22 的源极、电流源 I1 的另一端、电流源 I2 的另一端、电流源 I3 的另一端、电流源 I4 的另一端、电流源 I5 的另一端共点并与电源电压 VDD 相连； NMOS 管 M2 的源极、 NMOS 管 M3 的源极、 NMOS 管 M5 的源极、 NMOS 管 M20 的源极、 NMOS 管 M21 的源极、 NMOS 管 M23 的源极共点并与地 GND 相连。
6：根据权利要求 1-5 任一所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于，当轨到轨输入运算放大器的共模输入电压发生变化时，所述恒定跨导控制电路 (1) 通过反馈，调整轨到轨输入级 (2) 的 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对的尾电流，使 NMOS 管 M9 和 PMOS 管 M11 的跨导之和的倒数近似与参考电阻 R1 的阻值的一半相等；而 NMOS 管 M9 和 NMOS 管 M10， PMOS 管 M11 和 PMOS 管 M12 分别是轨到轨输入级 (2) 中 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对的复制， NMOS 管 M9 和 PMOS 管 M11 的跨导之和与轨到轨输入级 (2) 的跨导相等，使轨到轨输入运算放大器具有恒定跨导的特性，同时，改变参考电阻 R1 的阻值，改变轨到轨输入运算放大器的跨导，实现跨导可调。

说明书

一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器
    技术领域本发明涉及运算放大器技术领域，尤其涉及一种低电源电压恒定跨导的轨到轨输入运算放大器。
     背景技术运算放大器是模拟集成电路中的一个重要模块。随着微电子制作工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，所能承受的电源电压也越来越低，这会限制运算放大器的性能，比如运算放大器的共模输入范围。当运算放大器用做缓冲器时，需要与输入信号范围同样大的共模输入范围。这时就需要使用轨到轨输入运算放大器以获得大的动态范围。
     轨到轨输入运算放大器是一种特殊类型的放大器，其共模输入电压范围为从负电源电压轨到正电源电压轨。它的输入级由一对 PMOS 差分输入对和一对 NMOS 差分输入对组成。当共模输入电压靠近负电源电压轨， PMOS 差分输入对导通， NMOS 差分输入对截止；当共模输入电压靠近正电源电压轨， PMOS 差分输入对截止， NMOS 差分输入对导通；当共模
     输入电压处于正电源电压和负电源电压中间时， PMOS 差分输入对和 NMOS 差分输入对都导通。轨到轨输入运算放大器存在的一个问题是其跨导会随着共模输入电压的变化而发生较大的变化 ( 在有些情况下，其跨导变化可达到 100％ )，这有可能会使电路发生振荡。跨导反馈是目前用于实现恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的方法之一。现有的跨导反馈方法都是采用一个差分输入对来作为参考跨导，通过对输入级中的 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对进行复制来得到输入级的跨导，通过反馈使二者相等，从而使输入级的跨导恒定。但在现有的电路实现方法中，由于输入级的 NMOS 差分输入对和复制的 NMOS 差分输入对具有不同的共模输入电压 ( 前者是轨到轨的共模输入电压，而后者是一个固定的共模输入电压 )，这使得二者在共模输入电压较低时，其跨导具有较大的差异，同时还要求在较高的电源电压下工作，否则会导致整个共模输入范围内跨导具有比较大的波动 ( 比如在 3V 的工作电源电压下，其跨导波动在 3 ～ 4％左右，而在 1V 时，其跨导波动在 11％左右 )。发明内容本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器。
     为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器 ( 如图 1 所示 )，由恒定跨导控制电路 (1)、轨到轨输入级 (2) 和输出级 (3) 组成；
     所述恒定跨导控制电路 (1) 的 Vinp 输入端和 Vinn 输入端分别与外部的模拟输入信号 Vinp 和 Vinn 相连；其 Vbn 输出端和 Vbp 输出端分别与所述轨到轨输入级 (2) 的 Vbn 输入端和 Vbp 输入端相连；
     所述轨到轨输入级 (2) 的 Vinp 输入端和 Vinn 输入端分别与外部的模拟输入信号
     Vinp 和 Vinn 相连；其 pOp， pOn， nOp 和 nOn 四个输出端分别与所述输出级 (3) 的 I_pinp、 I_pinn、 I_ninp 和 I_ninn 四个输入端相连；
     所述输出级 (3) 的 vout 输出端输出放大器的输出结果。
     本发明中，恒定跨导控制电路 ( 如图 2 所示 ) 由偏置电路 (1.1)，电流运算电路 (1.2) 和跨导反馈电路 (1.3) 组成；用于产生输出信号 Vbp 和 Vbn，分别控制轨到轨输入级 (2) 中的 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对的尾电流，使轨到轨输入级 (2) 的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的 2 倍。其中：
     所述偏置电路 (1.1) 有 2 个输出端，用于给跨导反馈电路 (1.3) 中的 MOS 管提供偏置电压 Vb3 和参考电压 DeltaV ； Vb3 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 NMOS 管 M18 和 NMOS 管 M19 的栅极相连； DeltaV 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 PMOS 管 M7 和 PMOS 管 M17 的栅极相连。
     电流运算电路 (1.2) 有四个输出端，用于给跨导反馈电路 (1.3) 中的 MOS 管提供偏置电压； Vb4 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 PMOS 管 M8 的栅极相连； Vb5 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 NMOS 管 M13 的栅极相连； Vb6 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 PMOS 管 M1 的栅极相连； Vb7 输出端与跨导反馈电路 (1.3) 中的 NMOS 管 M2 的栅极相连；其功能是使 NMOS 管 M13 和 PMOS 管 M1 流过的电流与轨到轨输入级 (2) 中的 NMOS 差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系，使 NMOS 管 M2 和 PMOS 管 M8 流过的电流与轨到轨输入级 (2) 中的 PMOS 差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系。
     跨导反馈电路 (1.3) 由 23 个 MOS 管和 5 个电流源组成； PMOS 管 M1 的漏极与电流源 I1 的一端、 NMOS 管 M2 的漏极、 NMOS 管 M3 的漏极和栅极、 NMOS 管 M5 的栅极共点； NMOS 管 M5 的漏极与 PMOS 管 M4 的漏极和栅极、 PMOS 管 M6 的栅极、 PMOS 管 M14 的栅极共点； PMOS 管 M6 的漏极与 PMOS 管 M7 的源极、 PMOS 管 M11 的漏极和栅极、 NMOS 管 M9 的漏极和栅极共点； PMOS 管 M14 的漏极与 PMOS 管 M15 的源极、 PMOS 管 M12 的漏极和栅极、 NMOS 管 M10 的漏极和栅极共点； PMOS 管 M8 的漏极与 PMOS 管 M11 的源极、 PMOS 管 M12 的源极共点； NMOS 管 M13 的漏极与 NMOS 管 M9 的源极、 NMOS 管 M10 的源极共点； PMOS 管 M7 的漏极与 PMOS 管 M16 的漏极、 NMOS 管 M20 的漏极、 NMOS 管 M18 的源极共点； PMOS 管 M15 的漏极与 PMOS 管 M17 的漏极、 NMOS 管 M21 的漏极、 NMOS 管 M19 的源极共点； PMOS 管 M15 的栅极与 PMOS 管 M16 的栅极共点，并与地 GND 相连； PMOS 管 M16 的源极与参考电阻 R1 的一端、电流源 I2 的一端共点； PMOS 管 M17 的源极与参考电阻 R1 的另一端、电流源 I3 的一端共点； NMOS 管 M18 的漏极与 NMOS 管 M20 的栅极、 NMOS 管 M21 的栅极、电流源 I4 的一端共点； NMOS 管 M19 的漏极与 PMOS 管 M22 的栅极、电流源 I5 的一端共点，并与所述输出端 Vbp 相连； PMOS 管 M22 的漏极与 NMOS 管 M23 的栅极和漏极共点并与所述输出端 Vbn 相连； PMOS 管 M1 的源极、 PMOS 管 M4 的源极、 PMOS 管 M6 的源极、 PMOS 管 M14 的源极、 PMOS 管 M22 的源极、电流源 I1 的另一端、电流源 I2 的另一端、电流源 I3 的另一端、电流源 I4 的另一端、电流源 I5 的另一端共点并与电源电压 VDD 相连； NMOS 管 M2 的源极、 NMOS 管 M3 的源极、 NMOS 管 M5 的源极、 NMOS 管 M20 的源极、 NMOS 管 M21 的源极、 NMOS 管 M23 的源极共点并与地 GND 相连。
     本发明中，当轨到轨输入运算放大器的共模输入电压发生变化时，所述恒定跨导控制电路 (1) 通过反馈，调整轨到轨输入级 (2) 的 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对的尾电流，使 NMOS 管 M9 和 PMOS 管 M11 的跨导之和的倒数近似与参考电阻 R1 的阻值的一半相等。而 NMOS 管 M9 和 NMOS 管 M10， PMOS 管 M11 和 PMOS 管 M12 分别是轨到轨输入级 (2) 中 NMOS 差分输入对和 PMOS 差分输入对的复制，故 NMOS 管 M9 和 PMOS 管 M11 的跨导之和与轨到轨输入级 (2) 的跨导相等，从而使轨到轨输入运算放大器具有恒定跨导的特性。同时，改变参考电阻 R1 的阻值，可以改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现跨导可调的功能。
     本发明低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器具有以下有益效果：
     1、利用本发明实现的轨到轨输入运算放大器，在电源电压为 1V 时，在输入共模电压从 0 变到 1V 时，其跨导波动可在 1.2％左右。因此本发明在用于实现低电源电压下恒定跨导的轨到轨输入运算放大器时，可在功耗和性能方面达到比较好的折衷。
     2、利用本发明，可以通过调整电路中参考电阻的阻值来改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现其跨导可调。附图说明
     图 1 为本发明低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的体系图 2 为本发明恒定跨导控制电路的电路图结构图
     具体实施方式
     下面结合附图对本发明进一步详细说明。
     图 1 所示为本发明提供的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的体系结构图，包括恒定跨导控制电路 (1)、轨到轨输入级 (2) 和输出级 (3)。
     图 2 为本发明恒定跨导控制电路的电路图。
     偏置电路 (1.1) 用来产生共栅管 M18 和 M19 的偏置电压。电流源 I4 和电流源 I5 作为由 M18、 M19、 M20 和 M21 组成的跨阻放大器的有源负载。
     电流运算电路 (1.2) 用来产生 MOS 管 M1、 M2、 M8 和 M13 的偏置电压，使流过 M1、 M2、 M8 和 M13 的电流满足式 (1) ：
     式 (1) 中的 In 和 Ip 分别为轨到轨输入级 (2) 中的 NMOS 管的尾电流和 PMOS 管的尾电流， K1 为比例因子，其值可以等于 1，也可以小于 1。
     设电流源 I2 和 I3 流过的电流为 I，则电流源 I1 的电流为：
     M4 管、 M6 管和 M14 管的宽长比之比为： 1 ∶ 1/K1 ∶ 1/K1 ；这样，流过 M4， M6 管和 M14 管的电流分别为：
     M9 和 M10 管具有相同的宽长比，流过它们的电流分别为 0.5In ； M11 和 M12 管具有相同的宽长比，流过它们的电流分别为 0.5Ip ； M7 管、 M15 管、 M16 和 M17 管具有相同的宽长比。根据 KCL 定理和式 (1) 可知，流过 M7 管、 M15 管、 M16 管和 M17 管的电流为 ( 在差分输入为零时 ) ：
     M7 管、 M15 管、 M6 管、 M14 管、 M8 管、 M9 管、 M10 管、 M13 管、 M11 管和 M12 管构成一个跨导放大器，设其跨导为 Gm1 ； M16 管、 M17 管、 R1、 I2 和 I3 构成的另一个跨导放大器，设其跨导为 Gm2。分别在这两个跨导放大器的输入端加上一个相同的小的差分电压 (DeltaV-0)( 其中 DeltaV 由偏置电路 (1.1) 产生 )，通过负反馈使它们各自产生的电流变化量相等，即： Δi1 ＝ Gm1*DeltaV ＝ Δi2 ＝ Gm2*DeltaV，从而使这两个跨导放大器具有相同的跨导，即 Gm1 ＝ Gm2。
     假设：
     Gm1 和 Gm2 分别如式 (5) 和式 (6) 所示：
     Gm2 ＝ gm/(2+R1gm) 由式 (5) 和式 (6) 可得：(6)由于 gdsn， gdsp 通常远小于 gmn， gmp，式 (7) 可写成：由于 M9 管和 M10 管与轨到轨输入级 (2) 中的 NMOS 差分输入对完全相同且具有相同的尾电流， M11 管和 M12 管与轨到轨输入级 (2) 中的 PMOS 差分输入对完全相同且具有相同的尾电流，轨到轨输入级的跨导 gm_opa 为：
     gm_opa ＝ gmn+gmp (9) 由式 (8) 和式 (9) 可知：轨到轨输入级的跨导，即轨到轨输入运算放大器的跨导为： gm_opa ≈ 2/R1 (10)
     由式 (10) 可知，轨到轨输入级的跨导近似为参考电阻 R1 的倒数的 2 倍，如果改变参考电阻 R1 的值，就可以改变轨到轨输入级的跨导。
     本发明提供的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器具有工作电源电压低、跨导波动小的优点。仿真结果表明，在电源电压为 1V 时，在输入共模电压从 0 变到 1V 时，其跨导波动可在 1.2％左右。并且可通过调整电路中参考电阻的阻值来改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现其跨导可调。

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1、10申请公布号CN102340284A43申请公布日20120201CN102340284ACN102340284A21申请号201010236020022申请日20100723H03F3/45200601H03F1/3020060171申请人复旦大学地址200433上海市邯郸路220号72发明人戴姗姗易婷洪志良74专利代理机构上海正旦专利代理有限公司31200代理人包兆宜54发明名称一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器57摘要本发明涉及一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，包括恒定跨导控制电路、轨到轨输入级和输出级。其中，恒定跨导控制电路通过反馈控制轨到轨。

2、输入级的尾电流，使轨到轨输入运算放大器的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的2倍。同时可以通过改变参考电阻的阻值，来改变轨到轨输入运算放大器的跨导。本发明可工作在低电源电压下，具有轨到轨的共模输入范围，跨导可调，恒定跨导等优点。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书4页附图1页CN102340298A1/2页21一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于由恒定跨导控制电路1、轨到轨输入级2和输出级3组成；所述恒定跨导控制电路1的VINP输入端和VINN输入端分别与外部的模拟输入信号VINP和VINN相连；其VBN输出端和VBP输出端。

3、分别与所述轨到轨输入级2的VBN输入端和VBP输入端相连；所述轨到轨输入级2的VINP输入端和VINN输入端分别与外部的模拟输入信号VINP和VINN相连；其POP，PON，NOP和NON四个输出端分别与所述输出级3的I_PINP、I_PINN、I_NINP和I_NINN四个输入端相连；所述输出级3的VOUT输出端输出放大器的输出结果。2根据权利要求1所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于所述恒定跨导控制电路1由偏置电路11，电流运算电路12和跨导反馈电路13组成；用于产生输出信号VBP和VBN，分别控制轨到轨输入级2中的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾。

4、电流，使轨到轨输入级2的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的2倍。3根据权利要求2所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于所述偏置电路11有2个输出端，用于给跨导反馈电路13中的MOS管提供偏置电压VB3和参考电压DELTAV；VB3输出端与跨导反馈电路13中的NMOS管M18和NMOS管M19的栅极相连；DELTAV输出端与跨导反馈电路13中的PMOS管M7和PMOS管M17的栅极相连。4根据权利要求2所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于所述的电流运算电路12有四个输出端，用于给跨导反馈电路13中的MOS管提供偏置电压；VB4输出端与跨导。

5、反馈电路13中的PMOS管M8的栅极相连；VB5输出端与跨导反馈电路13中的NMOS管M13的栅极相连；VB6输出端与跨导反馈电路13中的PMOS管M1的栅极相连；VB7输出端与跨导反馈电路13中的NMOS管M2的栅极相连；使NMOS管M13和PMOS管M1流过的电流与轨到轨输入级2中的NMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系，使NMOS管M2和PMOS管M8流过的电流与轨到轨输入级2中的PMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系。5根据权利要求2所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于所述的跨导反馈电路13由23个MOS管和5个电流源组成；PMOS管M1。

6、的漏极与电流源I1的一端、NMOS管M2的漏极、NMOS管M3的漏极和栅极、NMOS管M5的栅极共点；NMOS管M5的漏极与PMOS管M4的漏极和栅极、PMOS管M6的栅极、PMOS管M14的栅极共点；PMOS管M6的漏极与PMOS管M7的源极、PMOS管M11的漏极和栅极、NMOS管M9的漏极和栅极共点；PMOS管M14的漏极与PMOS管M15的源极、PMOS管M12的漏极和栅极、NMOS管M10的漏极和栅极共点；PMOS管M8的漏极与PMOS管M11的源极、PMOS管M12的源极共点；NMOS管M13的漏极与NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极共点；PMOS管M7的漏极与PMOS管。

7、M16的漏极、NMOS管M20的漏极、NMOS管M18的源极共点；PMOS管M15的漏极与PMOS管M17的漏极、NMOS管M21的漏极、NMOS管M19的源极共点；PMOS管M15的栅极与PMOS管M16的栅极共点，并与地GND相连；PMOS管M16的源极与参考电阻R1的一端、电流源I2的一端共点；PMOS管M17的源极与参考电阻R1的另一端、电流源I3的一端共点；NMOS管M18的漏极与NMOS管权利要求书CN102340284ACN102340298A2/2页3M20的栅极、NMOS管M21的栅极、电流源I4的一端共点；NMOS管M19的漏极与PMOS管M22的栅极、电流源I5的一端共点。

8、，并与所述输出端VBP相连；PMOS管M22的漏极与NMOS管M23的栅极和漏极共点并与所述输出端VBN相连；PMOS管M1的源极、PMOS管M4的源极、PMOS管M6的源极、PMOS管M14的源极、PMOS管M22的源极、电流源I1的另一端、电流源I2的另一端、电流源I3的另一端、电流源I4的另一端、电流源I5的另一端共点并与电源电压VDD相连；NMOS管M2的源极、NMOS管M3的源极、NMOS管M5的源极、NMOS管M20的源极、NMOS管M21的源极、NMOS管M23的源极共点并与地GND相连。6根据权利要求15任一所述的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器，其特征在于，。

9、当轨到轨输入运算放大器的共模输入电压发生变化时，所述恒定跨导控制电路1通过反馈，调整轨到轨输入级2的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使NMOS管M9和PMOS管M11的跨导之和的倒数近似与参考电阻R1的阻值的一半相等；而NMOS管M9和NMOS管M10，PMOS管M11和PMOS管M12分别是轨到轨输入级2中NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的复制，NMOS管M9和PMOS管M11的跨导之和与轨到轨输入级2的跨导相等，使轨到轨输入运算放大器具有恒定跨导的特性，同时，改变参考电阻R1的阻值，改变轨到轨输入运算放大器的跨导，实现跨导可调。权利要求书CN102340284ACN1。

10、02340298A1/4页4一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器技术领域0001本发明涉及运算放大器技术领域，尤其涉及一种低电源电压恒定跨导的轨到轨输入运算放大器。背景技术0002运算放大器是模拟集成电路中的一个重要模块。随着微电子制作工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，所能承受的电源电压也越来越低，这会限制运算放大器的性能，比如运算放大器的共模输入范围。当运算放大器用做缓冲器时，需要与输入信号范围同样大的共模输入范围。这时就需要使用轨到轨输入运算放大器以获得大的动态范围。0003轨到轨输入运算放大器是一种特殊类型的放大器，其共模输入电压范围为从负电源电压轨到正电源电。

11、压轨。它的输入级由一对PMOS差分输入对和一对NMOS差分输入对组成。当共模输入电压靠近负电源电压轨，PMOS差分输入对导通，NMOS差分输入对截止；当共模输入电压靠近正电源电压轨，PMOS差分输入对截止，NMOS差分输入对导通；当共模输入电压处于正电源电压和负电源电压中间时，PMOS差分输入对和NMOS差分输入对都导通。轨到轨输入运算放大器存在的一个问题是其跨导会随着共模输入电压的变化而发生较大的变化在有些情况下，其跨导变化可达到100，这有可能会使电路发生振荡。跨导反馈是目前用于实现恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的方法之一。现有的跨导反馈方法都是采用一个差分输入对来作为参考跨导，通过对输入。

12、级中的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对进行复制来得到输入级的跨导，通过反馈使二者相等，从而使输入级的跨导恒定。但在现有的电路实现方法中，由于输入级的NMOS差分输入对和复制的NMOS差分输入对具有不同的共模输入电压前者是轨到轨的共模输入电压，而后者是一个固定的共模输入电压，这使得二者在共模输入电压较低时，其跨导具有较大的差异，同时还要求在较高的电源电压下工作，否则会导致整个共模输入范围内跨导具有比较大的波动比如在3V的工作电源电压下，其跨导波动在34左右，而在1V时，其跨导波动在11左右。发明内容0004本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨。

13、输入运算放大器。0005为了达到上述目的，本发明的技术方案是一种低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器如图1所示，由恒定跨导控制电路1、轨到轨输入级2和输出级3组成；0006所述恒定跨导控制电路1的VINP输入端和VINN输入端分别与外部的模拟输入信号VINP和VINN相连；其VBN输出端和VBP输出端分别与所述轨到轨输入级2的VBN输入端和VBP输入端相连；0007所述轨到轨输入级2的VINP输入端和VINN输入端分别与外部的模拟输入信号说明书CN102340284ACN102340298A2/4页5VINP和VINN相连；其POP，PON，NOP和NON四个输出端分别与所述输出。

14、级3的I_PINP、I_PINN、I_NINP和I_NINN四个输入端相连；0008所述输出级3的VOUT输出端输出放大器的输出结果。0009本发明中，恒定跨导控制电路如图2所示由偏置电路11，电流运算电路12和跨导反馈电路13组成；用于产生输出信号VBP和VBN，分别控制轨到轨输入级2中的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使轨到轨输入级2的跨导近似为参考电阻阻值的倒数的2倍。其中0010所述偏置电路11有2个输出端，用于给跨导反馈电路13中的MOS管提供偏置电压VB3和参考电压DELTAV；VB3输出端与跨导反馈电路13中的NMOS管M18和NMOS管M19的栅极相连；DELT。

15、AV输出端与跨导反馈电路13中的PMOS管M7和PMOS管M17的栅极相连。0011电流运算电路12有四个输出端，用于给跨导反馈电路13中的MOS管提供偏置电压；VB4输出端与跨导反馈电路13中的PMOS管M8的栅极相连；VB5输出端与跨导反馈电路13中的NMOS管M13的栅极相连；VB6输出端与跨导反馈电路13中的PMOS管M1的栅极相连；VB7输出端与跨导反馈电路13中的NMOS管M2的栅极相连；其功能是使NMOS管M13和PMOS管M1流过的电流与轨到轨输入级2中的NMOS差分输入对流过的尾电流成一定的比例关系，使NMOS管M2和PMOS管M8流过的电流与轨到轨输入级2中的PMOS差分输。

16、入对流过的尾电流成一定的比例关系。0012跨导反馈电路13由23个MOS管和5个电流源组成；PMOS管M1的漏极与电流源I1的一端、NMOS管M2的漏极、NMOS管M3的漏极和栅极、NMOS管M5的栅极共点；NMOS管M5的漏极与PMOS管M4的漏极和栅极、PMOS管M6的栅极、PMOS管M14的栅极共点；PMOS管M6的漏极与PMOS管M7的源极、PMOS管M11的漏极和栅极、NMOS管M9的漏极和栅极共点；PMOS管M14的漏极与PMOS管M15的源极、PMOS管M12的漏极和栅极、NMOS管M10的漏极和栅极共点；PMOS管M8的漏极与PMOS管M11的源极、PMOS管M12的源极共点；。

17、NMOS管M13的漏极与NMOS管M9的源极、NMOS管M10的源极共点；PMOS管M7的漏极与PMOS管M16的漏极、NMOS管M20的漏极、NMOS管M18的源极共点；PMOS管M15的漏极与PMOS管M17的漏极、NMOS管M21的漏极、NMOS管M19的源极共点；PMOS管M15的栅极与PMOS管M16的栅极共点，并与地GND相连；PMOS管M16的源极与参考电阻R1的一端、电流源I2的一端共点；PMOS管M17的源极与参考电阻R1的另一端、电流源I3的一端共点；NMOS管M18的漏极与NMOS管M20的栅极、NMOS管M21的栅极、电流源I4的一端共点；NMOS管M19的漏极与PMO。

18、S管M22的栅极、电流源I5的一端共点，并与所述输出端VBP相连；PMOS管M22的漏极与NMOS管M23的栅极和漏极共点并与所述输出端VBN相连；PMOS管M1的源极、PMOS管M4的源极、PMOS管M6的源极、PMOS管M14的源极、PMOS管M22的源极、电流源I1的另一端、电流源I2的另一端、电流源I3的另一端、电流源I4的另一端、电流源I5的另一端共点并与电源电压VDD相连；NMOS管M2的源极、NMOS管M3的源极、NMOS管M5的源极、NMOS管M20的源极、NMOS管M21的源极、NMOS管M23的源极共点并与地GND相连。0013本发明中，当轨到轨输入运算放大器的共模输入电压。

19、发生变化时，所述恒定跨导控制电路1通过反馈，调整轨到轨输入级2的NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的尾电流，使NMOS管M9和PMOS管M11的跨导之和的倒数近似与参考电阻R1的阻值的一半相说明书CN102340284ACN102340298A3/4页6等。而NMOS管M9和NMOS管M10，PMOS管M11和PMOS管M12分别是轨到轨输入级2中NMOS差分输入对和PMOS差分输入对的复制，故NMOS管M9和PMOS管M11的跨导之和与轨到轨输入级2的跨导相等，从而使轨到轨输入运算放大器具有恒定跨导的特性。同时，改变参考电阻R1的阻值，可以改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现跨导可调。

20、的功能。0014本发明低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器具有以下有益效果00151、利用本发明实现的轨到轨输入运算放大器，在电源电压为1V时，在输入共模电压从0变到1V时，其跨导波动可在12左右。因此本发明在用于实现低电源电压下恒定跨导的轨到轨输入运算放大器时，可在功耗和性能方面达到比较好的折衷。00162、利用本发明，可以通过调整电路中参考电阻的阻值来改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现其跨导可调。附图说明0017图1为本发明低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的体系结构图0018图2为本发明恒定跨导控制电路的电路图具体实施方式0019下面结合附图对本发明进。

21、一步详细说明。0020图1所示为本发明提供的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器的体系结构图，包括恒定跨导控制电路1、轨到轨输入级2和输出级3。0021图2为本发明恒定跨导控制电路的电路图。0022偏置电路11用来产生共栅管M18和M19的偏置电压。电流源I4和电流源I5作为由M18、M19、M20和M21组成的跨阻放大器的有源负载。0023电流运算电路12用来产生MOS管M1、M2、M8和M13的偏置电压，使流过M1、M2、M8和M13的电流满足式100240025式1中的IN和IP分别为轨到轨输入级2中的NMOS管的尾电流和PMOS管的尾电流，K1为比例因子，其值可以等于1，。

22、也可以小于1。0026设电流源I2和I3流过的电流为I，则电流源I1的电流为00270028M4管、M6管和M14管的宽长比之比为11/K11/K1；这样，流过M4，M6管和M14管的电流分别为00290030M9和M10管具有相同的宽长比，流过它们的电流分别为05IN；M11和M12管具有相同的宽长比，流过它们的电流分别为05IP；M7管、M15管、M16和M17管具有相同的宽长比。根据KCL定理和式1可知，流过M7管、M15管、M16管和M17管的电流为在差分输入为零时说明书CN102340284ACN102340298A4/4页700310032M7管、M15管、M6管、M14管、M8管。

23、、M9管、M10管、M13管、M11管和M12管构成一个跨导放大器，设其跨导为GM1；M16管、M17管、R1、I2和I3构成的另一个跨导放大器，设其跨导为GM2。分别在这两个跨导放大器的输入端加上一个相同的小的差分电压DELTAV0其中DELTAV由偏置电路11产生，通过负反馈使它们各自产生的电流变化量相等，即I1GM1DELTAVI2GM2DELTAV，从而使这两个跨导放大器具有相同的跨导，即GM1GM2。0033假设GM1和GM2分别如式5和式6所示00340035GM2GM/2R1GM60036由式5和式6可得00370038由于GDSN，GDSP通常远小于GMN，GMP，式7可写成0。

24、0390040由于M9管和M10管与轨到轨输入级2中的NMOS差分输入对完全相同且具有相同的尾电流，M11管和M12管与轨到轨输入级2中的PMOS差分输入对完全相同且具有相同的尾电流，轨到轨输入级的跨导GM_OPA为0041GM_OPAGMNGMP90042由式8和式9可知轨到轨输入级的跨导，即轨到轨输入运算放大器的跨导为0043GM_OPA2/R1100044由式10可知，轨到轨输入级的跨导近似为参考电阻R1的倒数的2倍，如果改变参考电阻R1的值，就可以改变轨到轨输入级的跨导。0045本发明提供的低电源电压跨导可调的恒定跨导的轨到轨输入运算放大器具有工作电源电压低、跨导波动小的优点。仿真结果表明，在电源电压为1V时，在输入共模电压从0变到1V时，其跨导波动可在12左右。并且可通过调整电路中参考电阻的阻值来改变轨到轨输入运算放大器的跨导，从而实现其跨导可调。说明书CN102340284ACN102340298A1/1页8图1图2说明书附图CN102340284A。

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