如何改善軌到軌MOSFET放大器的偏置精度

在當前的電子系統中，負電源正在消失，正電源電壓也在逐漸降低。這種趨勢使得軌到軌放大器日益流行。盡管電源電壓在不斷地改變，但信號電平通常保持不變。例如，標準的視頻信號為2V，當電源電壓降低到2V時，放大器/緩沖器必須線性地、準確地工作于整個2V電壓范圍內。本文將專門討論軌到軌放大器輸入級的發展，并詳細討論克服了軌到軌放大器缺點的輸入增強電路。

為簡單起見，我們的討論僅限于MOSFET放大器。圖1顯示了基本運放的輸入級。一個被稱為差分對的晶體管對位于電流源上端，用以適應差分輸入。盡管這種拓撲能夠提供差分增益并抑制共模信號，但其局限性在于其工作范圍。在3V的單電源條件下，輸入電壓范圍在0“1.5V。如果輸入電壓高于1.5V，電流源將被迫退出飽和狀態。一旦電流源離開飽和區域，增益將失真。

采用MOSFET實現方式改善軌到軌放大器的偏置精度

圖1：基本運放的輸入級。

對于像電流檢測或電壓檢測這樣的實例應用（如EKG），設計質量與能夠處理的信號電壓范圍直接相關。標準的軌到軌運放拓撲結構能滿足這種挑戰，該拓撲有兩個輸入級（如圖2所示）。當輸入電壓接近低電壓軌時，PMOS晶體管對放大信號。相反地，NMOS差分對放大接近上限電壓軌的輸入信號。通過這種方式，輸入電壓范圍可以為整個電源電壓范圍。為獲得這種輸入電壓范圍的改善，最明顯的折衷是需要額外的電源來偏置互補差分對。

圖2：軌到軌工作的雙輸入級。

相對于輸入偏置電壓，偏置電壓存在不太明顯的折中。NMOS對的偏置不必與PMOS對的偏置匹配-發生偏置時極性反向。在電源電壓中間附近，存在從一個對到另外一個對的切換。在切換期間，偏置電壓為每個對的偏置電壓的平均值。這就產生了一個階梯的特性（如圖3所示）。為了更深入了解，圖中給出了不同溫度的偏置電壓。低共模輸入電壓下激活的PMOS輸入對表現出相對于溫度很寬的偏置電壓范圍。NMOS對的變化導致圖中右邊對于高共模輸入電壓的分布情況。

圖3：相對于輸入共模電壓的輸入偏置電壓。

如前所述的EKG等檢測應用中，偏置電壓的任何變化都會影響到系統的精度。信號必須先被放大到遠遠高于偏置電壓的電平，以利用像圖2所示拓撲結構的軌到軌放大器。

在高精度和低功耗的應用中，需要一種新型的軌到軌放大器。目的是在沒有交叉偏置電壓失真的情況下獲得全范圍的輸入電壓，這種交叉失真發生在雙差分設計中的切換期間。讓我們重新回到單差分設計。圖1所示拓撲的輸入范圍不支持整個范圍的輸入操作。輸入范圍的一部份預留下來用于偏置飽和區中的電流源。電流源能以一種允許輸入橫跨電源軌之間的方式實現偏置嗎？在像EL8178這樣的運放中包括了輸入范圍增強電路，用于調節提供給電流源的內部偏置。圖4展示了這種創新的拓撲。在增強電路中是一個電荷泵。盡管電荷泵常常會導致噪聲問題，但電荷泵的工作頻率遠超過放大器的帶寬。因此，放大器的噪聲性能不會有明顯的改變。

圖4：帶輸入范圍增強電路的軌到軌輸入級

此外，我們必須重新考慮偏置電壓的問題。圖5實現了保持偏置電壓的目標。輸入范圍增強電路允許單個運放對來提供軌到軌操作，不需要另外的互補差分對。偏置電壓完全決定于僅僅一組晶體管的失配，因此沒有交叉區域。認真的布局和修整可以確保輸入基準偏置電壓低于100V。

圖5：相對于輸入共模電壓的增強輸入軌到軌級輸入偏置電壓。

到此為止，我們的討論僅局限于MOSFET實現方式。雙極技術也能受益于這種配置。除了改善偏置電壓，雙極技術實現在輸入偏置電流上還能表現出類似的改善。輸入偏置電流僅提供給一個匹配差分對，而不是具有交叉區域的兩個差分對。

以上是軌到軌放大器的演進過程。由一個差分對組成的基本輸入級不允許輸入全范圍的電壓。雙差分對將輸入電壓范圍擴展到電源電壓，但是偏置電壓（以及在BJT中的偏置電流）具有非線性，這是因為兩個對之間的切換引起的。第三種解決方案包括一個內部增強電路來調整單差分對的電流源偏置，以實現偏置電壓連續條件下的軌到軌操作。表1總結了3種實例運算放大器的性能。最終版本EL8178提供了低功率、高分辨率系統（如便攜式EKG機器）所需的規范。