引言

　　电源电压逐步下降，晶体管的阈值电压并没有减小，但是运放的共模输入范围越来越小，这使设计出符合低压低功耗要求，输入动态幅度达到全摆幅的运放成为一种必须。本文所设计的具有轨至轨(R-R)输入功能的低压低功耗CMOS运算放大电路，在各种共模输入电平下有着几乎恒定的跨导，使频率补偿更容易实现，适合应用于VLSI库单元及其相关技术领域。 

         理论模型

         基本的轨至轨输入结构

　　在较低的电源电压下，运算放大器的输 入级设计是非常重要的。传统的PMOS差动输入级的共模输入电压范围 VCM可表示为:

         (1)

　　 式中，VSS为负电源电压，  VCM为共

模输入电压，VDsat为源漏饱和压降，VGSP为PMOS的栅源电压。同理，NMOS差动输入级的共模输入电压范围可表示为：

          (2)

　　 式中，VGSN为NMOS的栅源电压。如果将PMOS和NMOS差分对互补连接使用，就可以使运放的输入共模范围变为：

          (3)

          从而实现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。

         图1  基本轨至轨输入电路

图2 低压低功耗运算放大器电路

            跨导恒定结构

　　 图1所示的轨至轨输入级电路采用互补折叠式结构，使共模输入电压可以在整个从地到电源电压的范围内工作，如果输入级工作在饱和区，电路的跨导由下面的公式确定：

           或者

        (4)

　　  式中mn和mp分别代表NMOS和PMOS的迁移率。从上面的公式可以看出，输入级的跨导会随栅源电压和便置电流的变化而变化。因此，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差分对的跨导变化到PMOS +NMOS差分对的跨导之和，再变化到NMOS差分对的跨导。中间部分跨导gm几乎是其它部分的一倍，这种跨导的变化会使运放的增益误差发生变化，从而使频率特性变差，因此，需要设计一种电路，使轨至轨输入电路具有恒定的跨导。

　　 目前，可保证R-R输入级的gm恒定不变的设计方法主要有以下几种：1. 采用双极(BJT)线性互补差分对形式的输入级。 2. 由齐纳二极管将P、N差分对的偏置电流连起来实现。 3. 采用冗余的差分对来实现。4. 用电流镜技术，使偏置电流的大小随输入共模电压的变化而变化。

          上述第4种方法的电路不仅结构简单，而且对gm的控制也易于实现。因此，本文运用了对输入跨导的控制原理，采用了一种 全新的保持R-R输入级gm为常数的电路结构。 

           电路设计

　　 本文所设计的电路如图2所示，该电路由输入互补差分对、恒定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处于工作状态，N输入差分对M2、M3截止，开关管M17 、M18开启，抽取M16上的电流；M13、M14截止。M15的电流全部流入P差分对，则此区间的等效差分跨导为:

          (5)