為了實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，我們對(duì)以上傳統(tǒng)兩級(jí)運(yùn)放采用準(zhǔn)浮柵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)闇?zhǔn)浮柵技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 工藝兼容，因此我們可以利用現(xiàn)有的工藝，對(duì)傳統(tǒng)的兩級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行一些改進(jìn)，就可以實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)，在目前是一種可以快速實(shí)現(xiàn)且低成本的方法。

　　如圖4 所示為基于準(zhǔn)浮柵技術(shù)的兩級(jí)運(yùn)算放大器。為了滿足電源電壓下降的要求，我們采用準(zhǔn)浮柵NMOS 差分對(duì)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的差分對(duì)，對(duì)于相類似的器件尺寸和偏置電流，PMOS輸入差動(dòng)對(duì)管比NMOS 輸入差動(dòng)對(duì)管表現(xiàn)出較低的跨導(dǎo)。因此用NMOS 做為輸入對(duì)，可以比用PMOS 做為輸入對(duì)的兩級(jí)運(yùn)算放大器[5] 得到更高的增益。

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　　圖4 基于準(zhǔn)浮柵技術(shù)的兩級(jí)運(yùn)算放大器

　　輸入信號(hào)通過(guò)輸入耦合電容C 耦合到輸入管的柵極。將兩個(gè)輸入的NMOS 管的柵極偏置到VDD 上，因而兩個(gè)輸入管處于常導(dǎo)通的狀態(tài)，從而降低了對(duì)輸入信號(hào)的要求，即使輸入很低電壓，因?yàn)閮蓚€(gè)輸入管的常導(dǎo)通狀態(tài)，電路也能正常工作，從而也降低了對(duì)電源電壓的要求，隨著電源電壓的下降，偏置電流也隨之降低，使電路能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗的要求。

　　采用準(zhǔn)浮柵技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)后，由于該運(yùn)放的輸入為交流耦合電路，因此可以濾掉由輸入電壓所帶來(lái)的直流失調(diào)。但是也從而也帶來(lái)了一個(gè)缺點(diǎn)，準(zhǔn)浮柵運(yùn)放只對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大，而不能作為直流比較器。且由于在輸入管引入了一個(gè)二級(jí)管連接的工作在截止區(qū)的MOS 管大電阻，因此可以判斷出主極點(diǎn)位于輸入管處，這樣的一個(gè)大電阻會(huì)引起單位增益帶寬的減小，但是它也會(huì)帶來(lái)更大的相位裕度，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。我們?cè)谶x擇管子參數(shù)的時(shí)候，要考慮到它的具體應(yīng)用環(huán)境，來(lái)決定它的性能指標(biāo)。

　　準(zhǔn)浮柵技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)低功耗問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)中，運(yùn)放的靜態(tài)功耗是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，在兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中，該電路的靜態(tài)功耗為

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　　其中IM2為一級(jí)運(yùn)放的偏置電流，IM6為二級(jí)運(yùn)放的電流?？梢钥闯鰹榱藴p小運(yùn)放的功耗，偏置電流應(yīng)盡可能的小，但是隨著電流的減小又會(huì)帶來(lái)運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率的減小，這需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行一個(gè)折中的考慮。

　　5 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與仿真

　　這次的設(shè)計(jì)中，我們采用了Chartered 0。35umCMOS 工藝，利用Spectre 對(duì)電路進(jìn)行仿真分析[6] 。傳統(tǒng)放大器因?yàn)殚撝惦妷旱挠绊?，因此工作在?2。5V 電壓下，而采用了準(zhǔn)浮柵技術(shù)以后，可以使電路工作在1。2V 的低壓環(huán)境下，對(duì)運(yùn)放做交流分析，表1 是傳統(tǒng)放大器與改進(jìn)以后的放大器性能的比較，通過(guò)比較可以看出與我們前面分析的結(jié)果一致。根據(jù)仿真的幅頻和相頻特性，如圖5 所示，在保持增益，降低功耗的情況下，單位增益帶寬較小，但也可以滿足設(shè)計(jì)要求，相位裕度增加從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加。并由瞬態(tài)分析(如圖6)，在降低電壓和電流的情況下，擺幅依然可以到達(dá)一個(gè)理想的值。仿真結(jié)構(gòu)表明這樣的一個(gè)放大器可以適合在低壓低功耗的環(huán)境下應(yīng)用。

　　表1 傳統(tǒng)放大器與改進(jìn)以后的放大器性能的比較

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　　圖5 幅頻和相頻特性

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　　圖6 瞬態(tài)響應(yīng)特性

　　6 結(jié)論

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用準(zhǔn)浮柵技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)兩級(jí)運(yùn)算放大器，使電路在電源電壓降低的情況下，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均可達(dá)到期望值，而功耗極大地減小，適應(yīng)了目前集成電路對(duì)低功耗的要求。