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。
中图分类号：TN402 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257231
中文引用格式： 杨心，刘伟景，赵启林，等. 基于压摆增强的新恒定跨导轨到轨运算放大器[J]. 电子技术应用，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： 杨心，刘伟景，赵启林，等. 基于压摆增强的新恒定跨导轨到轨运算放大器[J]. 电子技术应用，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
随着CMOS工艺水平的提升，电源电压逐渐降低，信号的动态范围随之减小[1]。为了突破低电压的工作瓶颈，需要设计一款轨到轨运算放大器，用来增大信号的输入输出摆幅[2]。
Song等提出一种基于最大/最小电流技术的轨到轨电路，在整个输入范围内实现了跨导的恒定（3%），但控制电路面积与功耗分别为0.09 mm2、7.2 mW，对于运放来说不是很理想[3]；Baxevanakis用电流镜技术设计出一种运放，在整个共模范围内实现了频率响应的稳定，但在开关转换过程中会引发跨导的剧烈波动，导致其gm的变化量高达30%[4]；Lee等基于电平移位法设计出一款恒定gm低压运放，实现了只用一个NMOS连接的二极管就得到了与传统电平移位法相似的结果，但电压只能维持在1.6 V[5]；Lu等采用冗余差分对技术设计出一种轨到轨运放，使gm变化量维持在2%左右，但需要复杂的补偿电路[6]。针对上述问题，本文提出新型冗余差分对结构，将输入级gm变化率和功耗严格控制在1.4%、0.12 mW 以内。
此外，为了解决轨到轨在电压切换瞬间存在转换速率[7]死区的问题，本文采用压摆率增强结构，提升了系统在切换瞬间的电压速率。
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作者信息：
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， 上海 200090；
2.摩尔芯海集成电路（扬州）有限公司上海分公司， 上海 201306）
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