### 低电压CMOS运算放大器输入级的研究
#### 概述
随着电子产品逐渐趋向小型化及便携式，低电压、低功耗的集成电路需求日益增加，这不仅有助于产品的轻量化，更能够显著延长电池寿命。在此背景下，互补金属氧化物半导体（CMOS）技术因其能够将数字电路和模拟电路集成在同一芯片上的特性而受到广泛关注。然而，在低电压工作条件下，模拟集成电路面临的挑战更为严峻，如输出范围减小、信噪比下降、共模抑制比降低等问题。本篇研究重点探讨CMOS低电压运算放大器输入级面临的挑战及其解决方案。
#### 低电压CMOS运算放大器输入级问题
传统CMOS运算放大器的差分输入级通常具有约1V的阈值电压，而当电源电压降至3V时，输入的共模电压范围仅限于2V以内。这样的限制极大缩小了输出范围，进而限制了运算放大器的应用场景。特别是在低电压环境下，这种限制更加明显。为了解决这一问题，研究人员提出了“轨至轨”输出的差分输入放大电路方案。
#### 轨至轨输出的差分输入放大电路
轨至轨输出的差分输入放大电路是一种旨在扩大输出范围的技术，通过将一对N沟道差分输入MOS场效应管与一对P沟道差分输入MOS场效应管并联作为集成运放的输入级。具体来说：
1. **当共模输入VCM接近电源负电压时**，只有P沟道场效应管导通；
2. **当共模输入VCM接近正电源电压时**，只有N沟道场效应管导通；
3. **当共模输入VCM位于正负电源电压之间时**，两对MOS场效应管同时导通。
这意味着，只要VCM保持在正负电源电压范围内，至少有一对MOS场效应管处于导通状态。因此，该输入级的操作范围几乎覆盖了从正电源电压到负电源电压的全部范围。
#### 差分放大电路的电压放大倍数与输出阻抗
差分放大电路的电压放大倍数以及输出阻抗受互导（gmT）的影响。对于轨至轨输出的差分输入放大电路，总互导为：
\[ gmT = gm_N + gm_P = \sqrt{2K_N I_N} + \sqrt{2K_P I_P} \]
其中，\( K_N \) 和 \( K_P \) 分别代表NMOS和PMOS差分输入的工艺参数，\( I_N \) 和 \( I_P \) 是NMOS和PMOS差分输入管的电流。
由于 \( gm_T \) 在整个差分输入操作范围内并不一致，因此难以实现相同的输出电压和输出阻抗。若想获得稳定的电压放大倍数和高输出阻抗值，就需要设计出两对MOS差分晶体管漏极电流的平方根之和为常数的恒流源电路。
#### 实现恒定互导的差分输入电路
为了实现恒定的互导 \( gm_T \)，可以通过控制NMOS的差分电路电流 \( I_N \) 和PMOS的差分电路电流 \( I_P \) 的平方根之和为常数来达到目的。当假设NMOS和PMOS的工艺参数相等（\( K_N = K_P = K \)）时，可以得到：
\[ gm_T = \sqrt{2K(\sqrt{I_N} + \sqrt{I_P})} \]
只要保证 \( \sqrt{I_N} + \sqrt{I_P} \) 为常数，就能实现宽输出范围、高输出阻抗和高稳定度的运算放大器差分电路。
#### 实现恒定互导的方法
图2展示了一个用于实现互导为常数的直流偏置电路。在这个电路中，供给差分输入的恒流源 \( I_{SP} \) 和 \( I_{SN} \) 由差分电路M5和M6以及镜像电流源M1、M2、M3、M4共同控制。比例因子 \( \alpha \) 由M5/M6的输入电压决定，即运算放大器的共模电压。
这种方法的主要缺点在于假设NMOS和PMOS的工艺参数完全相等，这在实际应用中往往难以实现。此外，控制两个电流的平方根之和为常数的难度也相对较高。
#### 结论
低电压CMOS运算放大器输入级的研究对于开发高效、低功耗的电子设备至关重要。通过引入轨至轨输出的差分输入放大电路，可以在很大程度上解决传统CMOS运算放大器存在的问题。尽管如此，实现恒定互导的设计仍面临着一定的技术挑战。未来的研究将进一步优化这些技术，以满足市场对更高性能、更低功耗产品的需求。
