如何采用集成电荷泵的轨到轨放大器改善输入偏置精度？

　　在当前的电子系统中，负电源正在消失，正电源电压也在逐渐降低。这种趋势使得轨到轨放大器日益流行。尽管电源电压在不断地改变，但信号电平通常保持不变。例如，标准的视频信号为2V，当电源电压降低到2V时，放大器/缓冲器必须线性地、准确地工作于整个2V电压范围内。本文将专门讨论轨到轨放大器输入级的发展，并详细讨论克服了轨到轨放大器缺点的输入增强威廉希尔官方网站 。
　　为简单起见，我们的讨论仅限于MOSFET放大器。图1显示了基本运放的输入级。一个被称为差分对的晶体管对位于电流源上端，用以适应差分输入。尽管这种拓扑能够提供差分增益并抑制共模信号，但其局限性在于其工作范围。在3V的单电源条件下，输入电压范围在0“1.5V。如果输入电压高于1.5V，电流源将被迫退出饱和状态。一旦电流源离开饱和区域，增益将失真。
　　
　　图1：基本运放的输入级。
　　对于像电流检测或电压检测这样的实例应用（如EKG），设计质量与能够处理的信号电压范围直接相关。标准的轨到轨运放拓扑结构能满足这种挑战，该拓扑有两个输入级（如图2所示）。当输入电压接近低电压轨时，PMOS晶体管对放大信号。相反地，NMOS差分对放大接近上限电压轨的输入信号。通过这种方式，输入电压范围可以为整个电源电压范围。为获得这种输入电压范围的改善，最明显的折衷是需要额外的电源来偏置互补差分对。
　　
　　图2：轨到轨工作的双输入级。
　　相对于输入偏置电压，偏置电压存在不太明显的折中。NMOS对的偏置不必与PMOS对的偏置匹配-发生偏置时极性反向。在电源电压中间附近，存在从一个对到另外一个对的切换。在切换期间，偏置电压为每个对的偏置电压的平均值。这就产生了一个阶梯的特性（如图3所示）。为了更深入了解，图中给出了不同温度的偏置电压。低共模输入电压下激活的PMOS输入对表现出相对于温度很宽的偏置电压范围。NMOS对的变化导致图中右边对于高共模输入电压的分布情况。
　　
　　图3：相对于输入共模电压的输入偏置电压。
　　如前所述的EKG等检测应用中，偏置电压的任何变化都会影响到系统的精度。信号必须先被放大到远远高于偏置电压的电平，以利用像图2所示拓扑结构的轨到轨放大器。
　　在高精度和低功耗的应用中，需要一种新型的轨到轨放大器。目的是在没有交叉偏置电压失真的情况下获得全范围的输入电压，这种交叉失真发生在双差分设计中的切换期间。让我们重新回到单差分设计。图1所示拓扑的输入范围不支持整个范围的输入操作。输入范围的一部份预留下来用于偏置饱和区中的电流源。电流源能以一种允许输入横跨电源轨之间的方式实现偏置吗？在像EL8178这样的运放中包括了输入范围增强威廉希尔官方网站 ，用于调节提供给电流源的内部偏置。图4展示了这种创新的拓扑。在增强威廉希尔官方网站 中是一个电荷泵。尽管电荷泵常常会导致噪声问题，但电荷泵的工作频率远超过放大器的带宽。因此，放大器的噪声性能不会有明显的改变。
　　
　　图4：带输入范围增强威廉希尔官方网站 的轨到轨输入级
　　此外，我们必须重新考虑偏置电压的问题。图5实现了保持偏置电压的目标。输入范围增强威廉希尔官方网站 允许单个运放对来提供轨到轨操作，不需要另外的互补差分对。偏置电压完全决定于仅仅一组晶体管的失配，因此没有交叉区域。认真的布局和修整可以确保输入基准偏置电压低于100V。
　　
　　图5：相对于输入共模电压的增强输入轨到轨级输入偏置电压。
　　到此为止，我们的讨论仅局限于MOSFET实现方式。双极技术也能受益于这种配置。除了改善偏置电压，双极技术实现在输入偏置电流上还能表现出类似的改善。输入偏置电流仅提供给一个匹配差分对，而不是具有交叉区域的两个差分对。
　　以上是轨到轨放大器的演进过程。由一个差分对组成的基本输入级不允许输入全范围的电压。双差分对将输入电压范围扩展到电源电压，但是偏置电压（以及在BJT中的偏置电流）具有非线性，这是因为两个对之间的切换引起的。第三种解决方案包括一个内部增强威廉希尔官方网站 来调整单差分对的电流源偏置，以实现偏置电压连续条件下的轨到轨操作。表1总结了3种实例运算放大器的性能。最终版本EL8178提供了低功率、高分辨率系统（如便携式EKG机器）所需的规范。
　　
　　表1：具有三个不同输入级的运放性能特性参数。