基于压摆增强的新恒定跨导轨到轨运算放大器
电子技术应用
杨心1，刘伟景1，赵启林2，刘贤昱1
1.上海电力大学 电子与信息工程学院；2.摩尔芯海集成电路（扬州）有限公司上海分公司
摘要： 提出了一种基于压摆增强的新恒定跨导轨到轨运算放大器。输入级采用改进型冗余差分对，利用特殊的晶体管串联结构和N/PMOS电流镜，削减差分对管在亚阈值区内的电流，有效抑制了输入级跨导波动；同时结合压摆率增强技术，通过利用MOS管在不同区域之间源漏电压不同的特性，提高了动态响应性能；并且采用Ahuja补偿，在确保相位裕度的前提下，优化了功耗与面积。该电路基于40 nm CMOS工艺完成电路与版图设计，仿真结果表明，电路在3.3 V电源下实现全摆幅输入输出，输入级跨导变化率仅为1.4%。压摆率分别为7.52 V/μs（正）和7.87 V/μs（负），较未增强前提升了50%。直流增益为114 dB，相位裕度79°，单位增益带宽为3.7 MHz。共模抑制比为135 dB，电源抑制比为90 dB。该设计具有高增益、宽摆幅和快速响应等特点，适用于高精度、低功耗模拟应用。
中圖分類號：TN402 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257231
中文引用格式： 楊心，劉偉景，趙啟林，等. 基于壓擺增強的新恒定跨導軌到軌運算放大器[J]. 電子技術應用，2026，52(5)：33-38.
英文引用格式： Yang Xin，Liu Weijing，Zhao Qilin，et al. A novel slew-rate enhanced constant-transconductance rail-to-rail operational amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(5)：33-38.
中文引用格式： 楊心，劉偉景，趙啟林，等. 基于壓擺增強的新恒定跨導軌到軌運算放大器[J]. 電子技術應用，2026，52(5)：33-38.
英文引用格式： Yang Xin，Liu Weijing，Zhao Qilin，et al. A novel slew-rate enhanced constant-transconductance rail-to-rail operational amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(5)：33-38.
A novel slew-rate enhanced constant-transconductance rail-to-rail operational amplifier
Yang Xin1，Liu Weijing1，Zhao Qilin2，Liu Xianyu1
1.Electronics and Information Engineering， Shanghai University of Electric Power；2.Moore Chipsea-Design Co.， Ltd.， Shanghai Branch
Abstract： This paper presents a novel constant-gm rail-to-rail operational amplifier with enhanced slew rate. The input stage utilizes an improved redundant differential pair incorporating series-transistor and current-mirror techniques to reduce subthreshold current and minimize transconductance variation to only 1.4%. Supported by slew-rate enhancement circuitry, the design improves dynamic response by utilizing MOS voltage characteristics across operating regions. Ahuja compensation is employed to simultaneously optimize power consumption and area while maintaining adequate phase margin. Implemented in a 40 nm CMOS process under a 3.3 V supply, the amplifier supports full rail-to-rail input/output. The slew rates reach 7.52 V/μs (positive) and 7.87 V/μs (negative), improved by 50%. It attains a DC gain of 114 dB, a phase margin of 79°, and a unity-gain bandwidth of 3.7 MHz. It attains a CMRR of 135 dB and PSRR of 90 dB. The proposed op-amp is well-suited for high-precision and low-power analog applications.
Key words : constant transconductance；rail-to-rail；slew rate enhancement；Ahuja；operational amplifier
引言
隨著CMOS工藝水平的提升，電源電壓逐漸降低，信號的動態范圍隨之減小[1]。為了突破低電壓的工作瓶頸，需要設計一款軌到軌運算放大器，用來增大信號的輸入輸出擺幅[2]。
Song等提出一種基于最大/最小電流技術的軌到軌電路，在整個輸入范圍內實現了跨導的恒定（3%），但控制電路面積與功耗分別為0.09 mm2、7.2 mW，對于運放來說不是很理想[3]；Baxevanakis用電流鏡技術設計出一種運放，在整個共模范圍內實現了頻率響應的穩定，但在開關轉換過程中會引發跨導的劇烈波動，導致其gm的變化量高達30%[4]；Lee等基于電平移位法設計出一款恒定gm低壓運放，實現了只用一個NMOS連接的二極管就得到了與傳統電平移位法相似的結果，但電壓只能維持在1.6 V[5]；Lu等采用冗余差分對技術設計出一種軌到軌運放，使gm變化量維持在2%左右，但需要復雜的補償電路[6]。針對上述問題，本文提出新型冗余差分對結構，將輸入級gm變化率和功耗嚴格控制在1.4%、0.12 mW 以內。
此外，為了解決軌到軌在電壓切換瞬間存在轉換速率[7]死區的問題，本文采用壓擺率增強結構，提升了系統在切換瞬間的電壓速率。
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作者信息：
楊心1，劉偉景1，趙啟林2，劉賢昱1
（1.上海電力大學 電子與信息工程學院， 上海 200090；
2.摩爾芯海集成電路（揚州）有限公司上海分公司， 上海 201306）
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