一个低噪声轨到轨输入输出范围的运算放大器

摘要：设计了一个轨到轨输入输出范围的低噪声运算放大器。在输入级采用电流补偿的方法来稳定该运算放大器在整个输入共模范围内的跨导，在输出级使用AB类的输出方法来提高运算放大器的输出范围，并运用双极晶体管比较低的闪烁噪声来改善该运算放大器的噪声性能，以此提高该运算放大器的动态范围。

关键词：轨到轨；跨导；闪烁噪声；运算放大器；动态范围

1 引言

在信号处理系统中，一个高动态范围的运算放大器是不可缺少的模块；动态范围也可表示为信噪比。随着CMOS工艺的发展，电源电压越来越低，运算放大器所能处理的最大信号幅度越来越小。因此提高运算放大器的动态范围给我们提出了挑战。

轨到轨的输入输出结构可以用来提高运算放大器的输入输出范围，但是通常的轨到轨输入结构需要使用两个差分对。相对于普通的具有一个差分输入对的运算放大器来说，轨到轨输入结构多出的一个差分对增加了运算放大器的输入噪声，而且一般的轨到轨输入输出结构的运算放大器使用了折叠共源共栅结构，该结构相对于套筒式结构来说具有更大的噪声。因此使用轨到轨输入输出结构来改善运算放大器动态范围的方法，在噪声的降低方面是一重要课题。

双极晶体管的闪烁噪声低于MOS晶体管的闪烁噪声，双极晶体管具有更低的转角频率（闪烁噪声和热噪声的交叉点），因此当低频噪声很重要的时候，双极晶体管就表现出良好的噪声性能。现在的CMOS工艺中，一个好的双极晶体管也是可以得到的。本文使用了双极晶体管良好的闪烁噪声性能来降低该运算放大器的噪声，以此来提高该运算放大器的动态范围。

本文的运算放大器使用了3.3V的电源电压，输入级使用电流补偿的方法来稳定输入级在整个共模范围内的跨导，输出级采用了一个AB类输出结构。文章最后给出了这个运算放大器的仿真结果。

2 具有稳定跨导的轨到轨输入范围的输入级

本文使用电流补偿的方法来获得具有稳定跨导的输入级，如图1所示，输入级的直流电流随着输入共模电压的变化而变化。在双极晶体管的线性区，双极晶体管差分对的小信号跨导与流过差分对的直流电流成正比。当一个差分对关断的时候，另外一个差分对的直流电流增加为原来的两倍，以此来保证这个运算放大器的跨导在整个输入共模范围内是稳定的。

当输入差分对Q1，Q2，Q3，Q4都工作在线性区的时候，流过晶体管M13，M14的电流Inn和Ipp都是0，而差分对Q1，Q3和Q2，Q4的偏置电流都是Ib，此时该运算放大器的输入跨导是

gm1.3和gm2.4分别为晶体管Q1，Q3和Q2，Q4的跨导；在27°C时， 。

当共模电压升高到一定值的时候，晶体管Q1，Q3关断，Q2，Q4导通，Inn=Ib，Ipp=0， In=0，Ip=2Ib，此时的输入跨导是

当共模电压下降到一定值的时候，晶体管Q1，Q3导通，Q2，Q4关断，Inn=0，Ipp=Ib， In=2Ib，Ip=0，此时的输入跨导是

从式⑴，⑵，⑶可知，Gm1=Gm2=Gm3，这个输入级的跨导在整个输入共模范围内基本上是稳定的。

3 AB类输出级

由于MOS晶体管的栅源电压的限制，为了获得轨到轨的输出范围，在输出级使用共源级的晶体管是必须的。图2所示的为该运算放大器的AB类输出级，晶体管M17、M18、电流源Ib6和晶体管M19，M20，电流源Ib5分别提供晶体管M15，M16的栅极偏置电压；晶体管M21、M22的静态电流分别由晶体管M17、M18、M15、电流源Ib3，Ib4，Ib6和晶体管M19、M20、M16、电流源Ib3、Ib4、Ib5确定；输出级工作时M21、M22的栅极电压差是稳定的，并以此来保证该输出级为AB类输出级。该输出级的缺点是输出晶体管M21、M22的静态电流会受到输入共模电压的影响，文章给出了相应的改进方法。

4 噪声分析

图3所示具有AB类输出级的运算放大器的电路图。对该运算放大器输入噪声影响最大的是双极晶体管的散粒噪声和热噪声，MOS晶体管的闪烁噪声和热噪声，其它噪声可以忽略不计。运算放大器的共源共栅晶体管和输入差分对的偏置电流对输入噪声的影响也是可以忽略不计的。

MOS晶体管的热噪声电压可用与栅极串联的噪声电压源表示

式中：K为Boltzmann常数，K=1.38×10-23JK-1， T是热力学温度；gm为晶体管的跨导。

MOS晶体管的闪烁噪声电压可用与栅极串联的噪声电压源表示

式中：k是MOS晶体管闪烁噪声系数；W，L分别为MOS晶体管的有效宽度和长度；COX是单位面积的栅氧化层电容；f为噪声频率。

晶体管M1，M2对输入噪声的影响为

式中：为晶体管M1，M2的输入噪声电压， kp为PMOS晶体管的闪烁噪声系数，gm2，4和gm1，2分别为晶体管Q2，Q4和M1，M2的跨导。

晶体管M3，M4对输入噪声的影响为

式中： 为晶体管M1，M2的输入噪声电压，kn为NMOS晶体管的闪烁噪声系数，gm1，3和gm3，4分别为晶体管Q1，Q3和M3，M4的跨导。

双极晶体管的噪声主要来源于集电极和基极电流产生的散粒噪声，基极电流产生的闪烁噪声和基极电阻产生的热噪声。因为基极电流产生的闪烁噪声与MOS晶体管的闪烁噪声相比是非常小的，因此可以忽略它对输入噪声的影响。由此可以得出晶体管Q1，Q2，Q3，Q4对该运算放大器输入噪声的影响为

式中，为Q1，Q2，Q3，Q4的输入噪声电压；rb1，rb2，rb3，rb4，gm1，gm2，gm3，gm4分别为晶体管Q1，Q2，Q3，Q4的基极电阻和跨导。

该运算放大器的输入级的增益很大，由此可以忽略输出级的噪声电压对输入噪声电压的影响，由此可得该运算放大器的输入噪声电压为

由式⑷，⑸，⑹，⑺可知增大晶体管Q1， Q2，Q3，Q4的跨导，增大晶体管M1，M2，M3，M4的面积，并降低它们的跨导就可以改善该运算放大器的输入噪声电压。

5 仿真结果

表1给出了这个运算放大器的仿真结果，从仿真结果可以看出，该运算放大器具有轨到轨的输入输出范围和较低的转角噪声频率和平带噪声。