[发明专利]轨到轨运算放大器及恒定跨导的方法

说明书

本发明提供一种轨到轨运算放大器及恒定跨导的方法，包括：输出级和轨到轨输入级构成的轨到轨放大模块，所述轨到轨输入级包括P型子模块和N型子模块；接收输入信号并连接轨到轨放大模块的辅助模块；当轨到轨放大模块中N型输入管或P型输入管截止时，辅助模块基于输入信号的控制向P型子模块或N型子模块注入补偿电流，以使得所述轨到轨运算放大器的跨导在轨到轨输入范围内保持恒定。本发明的轨到轨运算放大器及恒定跨导的方法使总跨导在中间输入范围基本恒定的范围大幅度扩大，大大降低了运算放大器的谐波失真，且不需要外部提供两个参考电压，简化了电路。

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种轨到轨运算放大器及恒定跨导的方法。

背景技术

在轨到轨(Rail-to-Rail)输入的运算放大器中，为了运算放大器的稳定性及电路的低谐波失真性能，一般要求轨到轨输入的运算放大器具有恒定跨导特性。一般为了减小失调电压及提高跨导，运算放大器的输入MOS管的尺寸都设置得比较大，此时输入MOS管的工作状态是亚阈值状态(当然有的时候也可以工作在饱和状态)。以运算放大器的输入管工作在亚阈值状态为例，工作在亚阈值状态的MOS管的跨导与经过其的电流成正比，满足下式1的关系，其中g_m为MOS管跨导，I_D为MOS管流过的电流，n和V_T都为常数。

现有技术中，运算放大器的输入端虽然是轨到轨输入端，但其输入跨导在轨到轨范围内却不是恒定的。在输入电压接近0时，NMOS输入管处于截止状态，其本身流过的电流为0；在输入电压接近电源电压AVDD时，PMOS输入管处于截止状态，其本身流过的电流为0；这就导致输入端的跨导在电源和地的两端小，在中间的跨导更大，公式推导如式2-式4所示，跨导如图1所示。

为了使运算放大器的跨导在轨到轨的范围内保持恒定，业界提出了一种补偿方法，首先设置两个参考电压，分别为Vrp(作为示例设置为2V)及Vrn(作为示例设置为1V)。当运算放大器的输入低于Vrn时，NMOS输入管截止，参考电压Vrp控制的补偿通路关闭，参考电压Vrn控制的补偿通路导通，这时流过PMOS输入管的电流为4*I₁。当输入大于Vrn同时小于Vrp时，NMOS输入管及PMOS输入管都正常工作，分别流过I₁大小的电流，这时流过输入管的总电流为4*I₁。当输入高于Vrp时，PMOS输入管截止，参考电压Vrp控制的补偿通路导通，参考电压Vrn控制的补偿通路关闭，这时流过NMOS输入管的电流为4*I₁。综上，不管输入小于Vrn还是大于Vrn同时小于Vrp，还是大于Vrp，流过输入管的总电流都为4*I₁。运算放大器的跨导在轨到轨输入范围内基本相等，公式推导如式5-式7所示。

图2为补偿后的跨导示意图，可见，跨导在轨到轨输入范围内大致恒定，但由于电路的非理想特性，其总跨导还是会有一定的变化，尤其在最常用的中间输入范围，总跨导基本恒定的范围比较小，多数情况下还是会影响运算放大器的谐波失真性能，且还需要外部提供两个参考电压Vrp和Vrn，提高了电路的复杂度。

因此，如何简化具有跨导补偿的轨到轨运算放大器电路、扩大总跨导在中间输入范围基本恒定的范围、降低运算放大器的谐波失真，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种轨到轨运算放大器及恒定跨导的方法，用于解决现有技术中轨到轨运算放大器跨导恒定范围小、谐波失真大、电路结构复杂等问题。