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具有恒定跨导的Rail-to-Rail CMOS运算放大器设计指导陈斯(徐州师范大学物理系电子科学教研室)注：文章中有很多关于MOS方面的基础知识，可能对于你们来说比较陌生，可以去找一些关于这方面的书籍看看。
下学期我会给你们做专门的讲解的。
你们先作个大概的了解，并确定具体的方向。
1引言近年来，随着集成电路工艺尺寸的不断减小，低电压的发展趋势越来越快。
下图为半导体工艺与电源电压的关系。
从图中可以看出，电压随着工艺最小尺寸的减小而不断降低。
电压减小的原因是因为尺寸的减小导致了器件的击穿电压的减小。
此外数字电路的功耗正比于电源电压的平方，因此，为了减小功耗必须降低电源的电压。
但是从模拟电路设计者来看，电源电压的减小会导致模拟信号动态范围的减小。
如果MOS管的域值电压随着电源的降低而等比减小的话，动态范围就不会受到严重的影响。
但由于数字逻辑的原因，域值电压不能大幅地减小，所以低电压会对电路的设计带来一定的影响。
2 一般原理在模拟电路和数模混合电路中，对于低电压的追求逐渐成为集成电路的一种时尚。
然而低电压导致了运算放大器输入共模范围的降低，传统的PMOS或NMOS差分对输入已不能满足大的输入共模范围的要求。
为解决这一瓶颈，rail-to-rail运算放大器随之而产生。
通常的Rail-to-Rail运放采用两级结构，运放的输出级可以采用简单的class-A或class-AB来实现，难点在于输入级的设计。
输入级一般采用PMOS和NMOS并联的互补差分结构，但其跨导在整个共模输入范围内变化两倍。
这种跨导的变化不仅影响环路的增益, 也会影响运放的频率补偿。
同时，由于输入信号是rail-to-rail ，具有很高的信噪比，因此要求整个rail-to-rail 运放的输入级保持恒定的跨导(g m )。
一般来说，运算放大器的输入级都采用差分放大器的输入模式。
在CMOS 工艺中，差分放大器可以通过PMOS 或NMOS 的差分对来实现。
一种低电源电压CMOS rail-to-rail运算放大器唐欣，王勇，唐旭升，汪小军，黄风义东南大学射频与光电集成电路研究所，南京（210096）E-mail: tang04002516@摘要：基于中芯国际（SMIC）0.18μm CMOS工艺，实现了一种0.8V低电源电压两级rail-to-rail CMOS运算放大器。
为使放大器有较小的静态功耗，运算放大器的输入级被偏置在弱反型区；输出级采取甲乙类共源输出级，以达到输出的全摆幅。
仿真结果显示，运算放大器的直流开环增益为64dB，单位增益带宽(GBW)为1MHz，相位裕度为60度。
功耗仅仅为0.88mW。
关键词：rail-to-rail, CMOS运算放大器，弱反型区1 引言Rail-to-Rail运算放大器（又称轨至轨运算放大器）因其输入/输出电压皆可达到电源供电电压，动态范围大，其低电压、低功耗的特性被越来越多的人所认识，作为一种通用的CMOS 运算放大器电路，可广泛地应用于个人通信设备、TFT LCD的电压参考缓冲器、无线局域网设备等低功耗应用场合及采样ADC/DAC中的放大器等诸多领域内。
2 输入级NMOS差分对的正向共模输入范围很大，可以达到正电源，而PMOS差分对的负向共模能力很强，可以达到负电源。
因此，可以采用NMOS管和PMOS管并联的互补差分输入对结构来实现输入级的rail-to-rail。
基本的rail-to-rail输入结构如图1所示[1]。
其中，M1、M2为NMOS 差分输入对，M3、M4为PMOS差分输入对。
图1 基本的rail-to-rail输入级图2 rail-to-rail 差分级的共模电压输入范围PMOS 差分输入对共模输入电压为SS CM DD DSsat GSp V V V V V <<−−，NMOS 差分输入对共模输入电压为SS GSn DSsat CM DD V V V V V ++<<，输入级所需要的最小电源电压为sup,min 2GSp GSn DSsat V V V V =++。
运放参数的详细解释和分析-part13轨至轨输入（rail to rail input）随着单电源运放的广泛的运用，运放的轨至轨输入（rail to rail input）成为一个时髦的词。
现在大部分低电压单电源供电的运放都是轨至轨输入的。
TI在轨至轨输入的运放产品方面具有十分领先的优势。
本文介绍运放的rail to rail输入的实现以及TI在实现运放的rail to rail 输入方面的领先技术。
先说两句废话，解释一下轨至轨，这里的轨指的是电源轨，运放的两个电源供电电压如+/-15V。
这两个电源电压就像两条平行的距离为30V的“轨道”一样限制了运放的输入输出信号。
运放的轨至轨输入是指运放的输入端信号电压能够达到电源的两个轨，并保持不失真，如上例输入信号电压可达到+/-15V。
运放的输入电压范围可在运放的datasheet中找到。
就是共模电压范围Vcm（Common-Mode Voltage Range）。
如下表即为OPA365的输入电压范围，可见它是典型的轨至轨输入运放。
一般的BJT和JFET是非轨至轨输入的运放。
如下表所示为OPA827共模输入电压范围为(V-)+3V至(V+)-3V，典型的非轨至轨运放。
单电源（我们暂且称之为“单电源”）运放的输入级通常有三种结构，第一种是采用PMOS做差分输入级。
这样的运入输入级电压可以低于负电源轨0.2甚至0.3V，但达不到正电源轨，如OPA336。
下表是datasheet中标出的OPA336输入电压范围。
它的输入级原理框图如下图，典型的PMOS差分输入级。
既然PMOS差分输入级输入电压不能达到正电源轨，那NMOS呢，对头，NMOS差分输入级的输入电压可以达到正电源轨，但是达不到负电源轨，一般会在负电源轨的1.2V之上。
此时有人想到了，把PMOS和NMOS差分输入级并联起来。
在接近电源负电压轨时使PMOS差分输入级工作，在接近电源正电源轨时使NMOS差分输入级工作。
轨至轨(rail to rail)概念(2009-11-25 09:14:28)转载▼分类：电子标签：杂谈从输入来说, 其共模输入电压范围可以从负电源到正电源电压; 从输出来看, 其输出电压范围可以从负电源到正电源电压。
Rail to Rail翻译成汉语即“轨到轨”，指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。
传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压范围一般都达不到电源电压，以运放为例，电源为+/-15V的运放，为确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够的共模抑制比），输入范围一般不要超过+/-10V，常温下也不要超过+/-12V；输出范围，负载RL>10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻(600ohm)时只能保证+/-10V。
这对器件的应用带来很多不便。
Rail-to-Rail的器件，一般都是低压器件（+/-5V 或 single +5V），输入输出电压都能达到电源（输入甚至可以超过）。
其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP互补输入结构。
rail-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。
“轨到轨（rail-to-rail）”的特性即：它的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和与翻转。
例如，在＋5V单电源供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近0V，或高至接近5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了放大器的动态范围。
这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。
TLC2274（轨到轨）与OP07（非轨到轨）的输入输出范围如表2（厂家给出）及图2（实际测定）。
可以看到，TLC2274的动态范围可达4.8V，而OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅3V左右。
轨至轨(rail to rail) 运放有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求，称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨rail to rail）放大器。
重废邮虫盍堂亟±论塞簋三童熟到魍￡ＭＱＳ运簋趑太墨的县佳遮让第三章轨到轨ＣＭＯＳ运算放大器的具体设计运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。
经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也可以。
这种运放称为轨到轨（Ｒａｉｌ—ｔｏ—Ｒａｉｌ）输入运算放大器。
３．１轨到轨运放的输入级设计３．１．１传统的输入级设计通过对差分放大器的直流性质研究我们发现，ＮＭＯＳ差分对管的输入共模电压可以达到电源电压％仃，同时可得ＰＭＯＳ差分对管的共模输入电压可以无限制的接近地电压，上面的直流工作点都可以通过对管子的器件特性的选择来选定。
但是无论如何我们不可能让ＮＭＯＳ差分对管的共模电压接近于地电压，同理，我们也不能让ＰＭＯＳ差分对管的共模电压接近于电源电压％Ｄ，这些是因为器件本身的性质决定的。
于是我们不可能通过只选择其中的任何一个类型的管子而实现共模输入电压达到轨到轨的要求。
然而我们通过上面的分析可以发现，假如两种类型的管子配合着相互使用，于是问题则可以迎刃而解。
如此输入级的共模输入电压范围就可达到运放对输入级电路轨到轨的要求。
通过上面的分析我们得到互补式运算放大器的差分输入电路结构如图３．１所示。
从下图中我们得出：当只有Ｎ／ｄＯＳ差分对导通的时候，Ｎ／ｄＯＳ差分对管Ｍｌ，Ｍ２的输入共模范围为‰一％＋‰；当只有ＰＭＯＳ差分对管处于导通状态的时候，Ｍ３，Ｍ４作为输入级其共模的输入范围为‰一Ｋ，。
＋‰；通过上面的分析我们知道两种差分对管实现了优缺点的互补，我们就完成了共模输入电压范围扩大的目的，此时为坎。
～％。
，如此一来轨到轨输入级结构的大体思路已经成行，我们同时可以计算出可以使这对差分对管正常工作的最小的电源电压，其电压值大小是：‰ｎｌｉｎ＝‰＋‰＋２‰。
上面的式子中‰，％分别是ＰＭＯＳ晶体管和ＮＭｏｓ晶体管的栅源电压；‰是１６尾电流管的饱和电压，这里尾电流管子是采用电流镜技术。
高增益低失调轨对轨运算放大器的研究与设计一、本文概述随着现代电子技术的飞速发展，运算放大器作为电子系统的核心组件，其性能的提升对整体系统的优化起着至关重要的作用。
特别是在许多高精度、低功耗的应用场景下，对运算放大器的性能要求愈发严格。
增益、失调电压和轨对轨输入输出特性是评价运算放大器性能的重要指标。
本文致力于研究与设计一种具有高增益、低失调电压以及轨对轨输入输出特性的运算放大器，以满足现代电子系统对高性能运算放大器的迫切需求。
本文将首先分析现有运算放大器的基本原理和性能指标，探讨影响增益、失调电压和轨对轨特性的关键因素。
在此基础上，本文将提出一种新型运算放大器的设计思路，包括电路拓扑结构的选择、关键元件的参数优化、以及制造工艺的考虑等。
通过理论分析和仿真验证，本文将展示所设计运算放大器在增益、失调电压和轨对轨特性方面的优越性能。
本文还将对所设计运算放大器在实际应用中的表现进行评估，包括其在不同工作条件下的稳定性、功耗以及噪声特性等。
通过与其他同类产品的对比，本文将证明所设计运算放大器在性能上的优越性和实用性。
本文旨在研究与设计一种高性能的运算放大器，以满足现代电子系统对运算放大器性能的不断提升的需求。
通过理论分析和实验验证，本文将展示所设计运算放大器在增益、失调电压和轨对轨特性方面的卓越性能，为电子系统的优化和升级提供有力的技术支持。
二、轨对轨运算放大器的基本原理轨对轨运算放大器（RailtoRail Operational Amplifier，简称RROA）是一种特殊的运算放大器，其最大特点是输出电压范围可以接近电源电压的轨对轨（RailtoRail），即输出摆幅接近电源的正负电压，从而大大提高了放大器的动态范围和输出能力。
轨对轨运算放大器的基本原理主要基于其独特的电路设计和先进的制造工艺。
传统的运算放大器在输出电压接近电源电压的轨道时，由于内部器件的非线性效应和电源电压的限制，往往会出现输出失真或摆幅不足的问题。
2004 年 10 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS October ， 2004 文章编号：1007-0249 (2004) 05-0107-04基于0.25µm CMOS 工艺的1.8V Rail-to-Rail 运算放大器*翟艳， 杨银堂， 朱樟明， 王帆（西安电子科技大学 微电子所，陕西 西安 710071）摘要：采用TSMC 0.25µm CMOS 工艺，设计实现了一种低功耗、高增益带有恒跨导输入级的Rail-to-Rail 运算放大器。
基于BSIM3V3 Spice 模型，采用Hspice 对整个电路进行仿真，在1.8V 的单电源电压工作条件下，直流开环增益达到108.6dB ，相位裕度为57.2度，单位增益带宽为5MHz ，功耗为0.23mW 。
关键词：Rail-to-Rail ；深亚微米；CMOS ；恒跨导；运算放大器中图分类号：TN402 文献标识码：A1 引言随着微电子工艺尺寸的不断缩小以及便携式电子产品的广泛应用，低压低功耗设计已经成为IC 设计的发展趋势。
然而，由于电源电压的不断降低，常规设计的运算放大器（以下简称运放）受阈值电压及饱和压降的影响，使得运放的输入输出动态范围不断减小, 影响后级电路的正常工作。
为了增大运放的动态范围，出现了Rail-to-Rail 结构。
通常的Rail-to-Rail 运放采用两级结构。
输入级用PMOS 和NMOS 并联的互补差分输入对实现，但其跨导在整个共模输入范围内变化两倍，这将影响环路增益, 也会对放大器的频率补偿不利。
输出级包含复杂的AB 类输出，它占用很大的芯片面积[1]，并且会增加运放的噪声和失调电压。
在[2]中描述的运放克服了上述问题。
然而，这个运放使用了复杂的浮地电流源来偏置求和电路和AB 类输出级，使得输出晶体管的瞬态电流随电源电压变化[3]，输入级跨导也随共模电压发生很大变化。
对轨对轨运算放大器的理解Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】轨对轨（rail-to-rail）1.所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值。
2.不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的，该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail。
3.在低电源电压和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。
4.轨至轨输入，有的称之为满电源摆幅(R-R)性能，可以获得零交越失真，适合驱动ADC，而不会造成差动线性衰减，实现高精密度应用，有轨至轨运放和轨至轨比较器。
，只是一个概念，其实就是正负电源(±V)供电运算放大器。
☆运算放大器供电方式：1.±V；2.＋V和GND。
这两种供电方式，各有各的特点。
1.±V：用三极管的截止失真来说，这种方式输入，不要加入直流输入成分，它的“静态工作点”电压是0V，所以动态范围非常大，接近电源。
优点：失真小，态范围非常大（振幅接近V）；缺点：双电源输入，电路变得复杂。
2.＋V和GND：还拿三极管的截止失真来说，这种方式输入，如果在输入端不加入直流成分（1/2V），那么在输入信号电压很大时，信号的负半周期，就是出现截止失真。
（设计方案：在输入端加入直流成分（稍稍大于1/2V），它的“静态工作点”电压是1/2V左右，这样所以动态范围也可以非常大，接近电源1/2V左右。
）优点：单电源输入，电路简单；缺点：不接入直流成分，失真大，如果作为高音质声音放大，会引起左右分离度降低等情况。
综上情况，在高性能运算放大器电路中，采用rail-to-rail设计方案比较好。
