如何去设计轨到轨CMOS模拟缓冲器？

　　引言：模拟电压缓冲器是混合信号设计中非常重要的基本组成部件。它们主要用作信号监听和驱动负载。在第一种情况下，缓冲器通常连接到测试电路和要求低输入电容的电路的内部节点，因为这个节点上寄生电容的任何增加可能都是至关重要的。然而，当缓冲器用来驱动负载时，为了在整个电源电压范围内尽快地驱动负载，我们希望大范围输出信号摆幅内具有高的转换速率。
　　目前集成电路的电源电压已经降低了，主要集中在功耗和可靠性问题。这种趋势已经迫使大部分模拟基本组成部件重新设计，试图保证它们的整体性能。在这些设计约束下。轨到轨操作在低压设计中成为强制性的，目的是为了增大信噪比。
　　在这篇文章里，我介绍了一种能达到AB类特性轨到轨CMOS模拟缓冲器的电路技巧，产生了具有低功耗和高的驱动能力的方法。
　　以前的互补：图1a给出了P沟道AB类差分对，当大的差分信号加到输入端时，它能够传送非常大的电流。在差分对节点A处的阻抗非常低，而且它的电压即使在的输入信号下，也近似接近常数。因此，差分电压V1-V2在M2上产生大的电流变化，在M3上也同样如此。
　　AB类电压缓冲器可以通过连结两个互补差分单元而得到，如图1c所示。毫无疑问，图1c中的电路有两种局限性。第一，M3P和M3N的栅源电压可以分别迫使驱动晶体管M1P和MlN在三极管区工作，减小了可用的电压工作范围。这种缺陷可以通过引进电压电平移位器来驱动M3P和M3N来克服，这将在后面解释。第二，当输出节点接近正向或者负向电源轨时，这种结构的输出电压摆幅受到限制。主要是因为P沟道和N沟道差分对分别工作在VDD和VSS受到限制的缘故。
　　
　　图1 AB类差分输入单元；对差分信号的直流传输特；基于两对互补AB类差分输入单元的低功耗缓冲器
　　a AB类差分输入单元 b DC传输特性 c低功耗缓冲器
　　所提出的模拟缓冲器：图2给出了晶体管级实现所提出的轨到轨MOS模拟缓冲器。这种电路是单增益级。它的输人支路是由两个互补的AB类差分对组成。与图1c中电路的重要区别是，在这种情况下，输出节点不是由输入驱动直接驱动，而是由电流镜M4P-M5P和M4N-M5N分别驱动。因此，M2P和M2N的共栅现在是不倒相输入端。
　　
　　图2所提出的轨到轨AB类缓冲器
　　在中部电源电压区，PMOS和NMOS输入对是有效的，而且它们的偏置电流通过电流镜M4P--M5P和M4N--M5N镜像到该电路的输出端。这种结构允许NMOS输入对驱动在电源电压区的输出节点接近VDD．而PMOS控制输出端的电压范围接近VSS．不幸的是，在接近VDD时，P沟道输入对截止，而且没有电流被镜像到输出端的底部，关闭了缓冲器。类似的情况是VSS时．N沟道差分对不是有效的。为了这个原因，晶体管M1PR-M5PR和MlNR-M5NR已包括在图2中，维持在整个电压范围内是有效的。
　　因此，这种缓冲器的工作过程可以这样详细描述如下：当输入信号Vin，在中部电源电压区，两个输入对MIP～M2P和MlN—M2N是有效的，M4P-M5P和M4N--M5N镜像一个等于IB的电流到输出支路。而且，电流IB的复制品通过晶体管MIPR（M1NR）和M2PR—M3PR（MlNR—M2NR）拷贝，给输出支路底部的附加电路的电流源提供电流。因此，晶体管M4P和M5P（M4N和M5N）关断，而且对输出电流没有任何贡献。输入信号接近VDD时，PMOS输入对关断，而且反相输入支路的复制品等等都关断。MIPR--M3PR不对输出支路的附加电路发送任何电流。这样的话，M4PR和M5PR导通，从输出支路吸收等于IB的电流，维持缓冲器是导通的。当输入信号Vin接近VSS时，类似的情况也会发生。
　　应当指出的是，电压电平移位器已经包含在输入级，目的是为了在线性区和超出输入信号范围到两端电压时，来驱动M3P和M3N，避免了M1P和M1N分别工作。因此，轨到轨操作在电路输出端一样，同样能在输入端达到。
　　所提出缓冲器的动态操作可以通过在电路输入支路AB类差分对的高的驱动能力来提高。一旦遇到大的正向输入信号，晶体管M2P截止，而M2N则吸收大量电流，通过M4N和M5N镜像到输出部分。相反，当大的输入信号以负的方向施加时，晶体管M2N截止，M2P传送大电流，通过M4P和MSP拷贝到输出部分。
　　所提出缓冲器的输入电容可以通过等比例减小晶体管M2P和M2N的尺寸。毫不疑问，必须指出的是，这些晶体管宽长比的减小会导致它们有效驱动能力的降低。除此之外，在这种电路里只有一个高阻抗的节点，它的带宽可能非常大。然而，在输出节点具有高输出阻抗的单增益级结构非常适合用来驱动大的电容负载，假定低电阻负载能减小缓冲器的整体增益。，因此，它是精确的。
　　
　　图3 在图2中模拟缓冲器的直流传输特性
　　仿真结果：图2中的模拟电压缓冲器已经在0．35uCMOS工艺设计实现。工作电源电压是1．5V，偏置电流是10uA，负载电容是lOpF。
　　图3给出了具有失调电压的所提出的模拟缓冲器的DC传输特性。正如期待的那样，rail to rail特性达到了。图4给出了图2电路的大信号瞬态响应。特别指出的是，输出电压揭示了高的转换速率是由于在输入级的AB类操作。但是，最大电流与通过输出晶体管的静态偏置电流的大的比率证实了所提出的方法导致了低功耗和高的驱动能力。
　　对于DC输人电压等于零仿真，开环增益和单位增益频率大约为54dB和6．1MHz。增益值相对低是由于电路是单增益级。增益一带宽值的是以增加输入差分对的偏置电流为代价的。因此，增大了功耗。对于2．4VPP 100kHz输入正弦信号，可以得到-44.6dB的ATHD．当输入电阻没有按比例减小时，所提出缓冲器的仿真电容要降低32fF。
　　
　　图4在图2中模拟缓冲器对于为2．4VPP频率为1MHZ方波输入信号10pF负载电容的大信号瞬态响应
　　a输入和输出电压 b通过输出晶体管的电流
　　结论：提出了减小输入电容的轨到轨电压缓冲器。轨到轨操作不仅在电路的输出端，同样在电路的输入端实现。所介绍电路的AB特性导致了低功耗和高的转换速率，使它很适合驱动大的电容负载。仿真结果已经提供了该电路的操作。
　　本文作者创新点：提出了减小输人电容的轨到轨电压缓冲器。轨到轨操作不仅在电路的输出端．同样在电路的输入端实现。所介绍电路的AB特性导致了低功耗和高的转换速率，使它很适合驱动大的电容负载。仿真结果已经提供了该电路的操作。