低功耗Rail-to-Rail运算放大器设计与仿真

"本文介绍了一种基于SMIC 0.18微米CMOS混合信号工艺的低功耗Rail-to-Rail运算放大器设计。该运放能够在3.3V电源下工作，具有轨对轨的输入共模电压和输出摆幅。其输入级跨导在全输入共模电压范围内变化小于15%，直流开环增益高达99dB，单位增益带宽为3.2MHz，相位裕度为59°，并且功耗仅为0.55mW。设计目标是满足便携式电子产品的低功耗需求，提高信噪比和信号动态输出范围。输入级采用了电流控制的三倍电流镜技术，输出级则利用浮动电流源控制的前馈甲乙类结构，以优化增益和降低功耗。此外，输入级采用了电流控制的恒跨导设计，以保持输入级跨导在整个输入共模电压范围内的稳定，从而改善共模抑制比并减少失真。" 本文详细探讨了一种专为低电压应用设计的Rail-to-Rail运算放大器，特别关注在便携式电子设备中的应用，这些设备通常依赖电池供电，因此对低功耗有极高要求。作者指出，为了提升运算放大器在低压环境下的性能，必须优化其信噪比、输入共模电压范围以及信号动态输出幅度。他们提出的解决方案采用了创新的电路结构，包括电流控制的三倍电流镜输入级和浮动电流源控制的甲乙类输出级，这种设计可以有效地提高增益，保持静态电流的稳定性，同时降低功耗。 输入级的设计是关键，因为恒定的跨导对于共模抑制比和减小失真至关重要。作者提出了一个采用电流开关管M7和M8以及电流镜的结构，以确保输入级的跨导在输入共模电压变化时保持恒定，从而简化后续的频率补偿。这种设计方法不仅有助于提升整体放大器性能，还能够适应更广泛的电源电压和输入共模电压范围。 该设计展示了在低功耗条件下实现高性能Rail-to-Rail运算放大器的可能性，为便携式电子产品的模拟电路设计提供了有价值的参考。通过精细的电路架构和仿真，作者证明了这种设计能够达到高直流开环增益、宽单位增益带宽、良好的相位裕度以及极低的功耗，使其成为低压应用的理想选择。