技术领域
[0001] 本
发明涉及
电路技术领域，特别是涉及一种轨到轨
运算放大器。
背景技术
[0002] 随着集成电路制作工艺特征尺寸的减小，其使用的电源
电压逐步下降，但是器件
阈值电压并没有相应减小，因此运算放大器的共模输入/输出范围越来越窄，一般的运算放大器难以满足需求。
[0003] 轨到轨运算放大器可以实现从电源高电位到地低电位的共模输入、输出范围，适用于低
电源电压的情况。轨到轨运算放大器包括输入级和输出级，传统的输入级电路一般采用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属
氧化物
半导体场效应晶体管，简称MOS管)组成的互补差动输入对管来实现输出级的轨到轨输入，采用1:3
电流镜像电路、衬底驱动电路、
浮栅电路等实现输入级的跨导恒定；传统的输出级电路采用共源单级放大器实现输出级的轨到轨输出。然而，一般情况下，互补差动对管的工作电流由镜像电路获得，对电流的控制度较低，同时
电流镜像电路的电流复制
精度较低，使得输入级的跨导变化大。
发明内容
[0004] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种跨导
波动小的轨到轨运算放大器。
[0005] 一种轨到轨运算放大器，包括：轨到轨输入级电路、上行电流补偿电路、下行电流补偿电路、输出级电路和电流镜像电路，所述轨到轨输入级电路分别连接所述上行电流补偿电路、所述下行电流补偿电路、所述电流镜像电路和所述输出级电路，所述电流镜像电路还连接所述上行电流补偿电路、下行电流补偿电路和输出级电路；
[0006] 所述电流镜像电路为所述轨到轨输入级电路、上行电流补偿电路、下行电流补偿电路和输出级电路提供偏置电流，所述轨到轨输入级电路用于接入共模电平
信号并输出至所述输出级电路，所述输出级电路用于对所述共模电平信号进行处理输出放大信号；所述上行电流补偿电路和所述下行电流补偿电路分别用于在所述共模电平信号的电压上行或电压下行时对所述轨到轨输入级电路的工作电流进行补偿，以使所述轨到轨输入级电路的工作电流保持恒定。
[0007] 上述轨到轨运算放大器，电流镜像电路为轨到轨输入级电路、上行电流补偿电路、下行电流补偿电路和输出级电路提供偏置电流，轨到轨输入级电路接入共模电平信号并输出至输出级电路，输出级电路对共模电平信号进行处理输出放大信号，满足对后级负载的驱
动能力，通过上行电流补偿电路和下行电流补偿电路分别实现共模电平信号的电压上行或电压下行时对轨到轨输入级电路的工作电流进行补偿，使得轨到轨输入级电路的工作电流保持恒定，从而轨到轨运算放大器的轨到轨输入级电路的跨导波动小。
附图说明
[0008] 图1为现有的输入级电路图；
[0009] 图2为现有的运算放大器的电路图；
[0010] 图3为一
实施例中本发明轨到轨运算放大器的电路模
块图；
[0011] 图4为一实施例中本发明轨到轨运算放大器的具体电路图；
[0012] 图5为另一实施例中本发明轨到轨运算放大器的电路模块图。
具体实施方式
[0013] 参考图1，为现有的工作在亚阈值状态下的轨到轨输入级电路结构图。亚阈值状态下MOS管的跨导和其电流成正比，当输入共模电平信号的电压上行到PMOS互补差动对管停止工作时，电流补偿电路开始工作，保持输入级电路总的工作电流不变，从而降低输入级电路的跨导波动小。当输入共模电平信号的电压下行到NMOS互补差动对管停止工作时，其工作原理与共模电平信号的电压上行过程相似。该输入级电路中电流镜像电路对电流的复制精度较低，特别是对窄
沟道长度的MOS管，由于沟道长度调制效应影响比较大，电流镜像电路的复制电流受到MOS管漏极电压的影响特别明显，严重降低了电流镜的复制精度。同时，互补差动对管的工作电流通过电流镜像电路获得，其对电流的控制较低，跨导变化非常大。
[0014] 参考图2，现有的一种运算放大器中增加了电流比较电路。该电路通过将输出端output和运算放大器的
反相输入端in-联接构成单位增益放大器作为电路的缓冲级或是输出级电路。该电路的缺点主要表现在以下几个方面：一、输入级电路无法实现共模电平信号的轨到轨输入；二、随着沟道长度的减小，电流无法精确复制，电流比较电路控制精度较低；三、由于采用五管差动运放，该输出级开环增益较低。
[0015] 本发明提供一种轨到轨运算放大器，可以较大地降低轨到轨输入级电路的跨导波动，提高系统工作的
稳定性。
[0016] 参考图3，一实施例中的轨到轨运算放大器，包括：轨到轨输入级电路110、上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130、电流镜像电路140和输出级电路150，轨到轨输入级电路110分别连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130、电流镜像电路140和输出级电路150，电流镜像电路140还连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和输出级电路150。
[0017] 电流镜像电路140为轨到轨输入级电路110、上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和输出级电路150提供偏置电流，轨到轨输入级电路110用于接入共模电平信号并输出至输出级电路150，输出级电路150用于对共模电平信号进行处理输出放大信号；上行电流补偿电路120和下行电流补偿电路130分别用于在共模电平信号的电压上行或电压下行时对轨到轨输入级电路110的工作电流进行补偿，以使轨到轨输入级电路110的工作电流保持恒定。本实施例中，在3.3V电源电压下，在输入的共模电平信号从0V上升到
3.3V时，轨到轨运算放大器的跨导波动小于2.5％。
[0018] 上述轨到轨运算放大器，电流镜像电路140为轨到轨输入级电路110、上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和输出级电路150提供偏置电流，轨到轨输入级电路110接入共模电平信号并输出至输出级电路150，输出级电路150对共模电平信号进行处理输出放大信号，满足对后级负载的驱动能力，通过上行电流补偿电路120和下行电流补偿电路130分别实现共模电平信号的电压上行或电压下行时对轨到轨输入级电路110的工作电流进行补偿，使得轨到轨输入级电路110的工作电流保持恒定，从而轨到轨运算放大器的轨到轨输入级电路110的跨导波动小。
[0019] 在其中一个实施例中，参考图4，轨到轨输入级电路110包括PMOS互补差动对管111、NMOS互补差动对管112和共源共栅结构电路113，PMOS互补差动对管111和NMOS互补差动对管112均分别连接共源共栅结构电路113、上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和电流镜像电路140，共源共栅结构电路113连接输出级电路150。
[0020] 轨到轨输入级电路110中的共源共栅结构电路113一方面是可以提高输出级电路150的增益，另一方面也可以将轨到轨输入级电路110的
输出信号转换成单端输出；同时，共源共栅结构电路113自身的较高增益的输出与连接的输出级电路150构成两极运放，轨到轨运算放大器的总增益等于共源共栅结构电路113的增益与输出级电路150的增益之和，从而提高了轨到轨运算放大器的增益。本实施例中，采用共源共栅结构电路113可以使轨到轨运算放大器的增益可以达到120dB。
[0021] 在其中一个实施例中，参考图4，PMOS互补差动对管111包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，NMOS互补差动对管112包括第三MOS管M3和第四MOS管M4。第一MOS管M1和第二MOS管M2均为PMOS管，第三MOS管M3和第四MOS管M4均为PMOS管。共源共栅结构电路113包括第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11和第十二MOS管M12。具体地，本实施例中，第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8均为PMOS管，第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11和第十二MOS管M12均为NMOS管。其中，第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4均工作在亚阈值区。
[0022] 第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极连接，且公共端分别连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和电流镜像电路140；第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极连接，且公共端分别连接上行电流补偿电路120、下行电流补偿电路130和电流镜像电路140，第一MOS管M1的栅极和第三MOS管M3的栅极连接且形成轨到轨运算放大器的反相输入端Vin-，第二MOS管M2的栅极和第四MOS管M4的栅极连接且形成轨到轨运算放大器的同相输入端Vin+。
[0023] 第五MOS管M5的栅极与第六MOS管M6的栅极连接，第七MOS管M7的栅极与第八MOS管M8的栅极连接，第五MOS管M5的漏极与第七MOS管M7的源极连接，且公共端连接第三MOS管M3的漏极，第五MOS管M5的源极连接电源端VDD，第六MOS管M6的漏极与第八MOS管M8的源极连接，且公共端连接第四MOS管M4的漏极，第六MOS管M6的源极连接电源端VDD。
[0024] 第九MOS管M9的栅极与第十MOS管M10的栅极连接，第十一MOS管M11的栅极与第十二MOS管M12的栅极连接，第九MOS管M9的源极与第十一MOS管M11的漏极连接，且公共端连接第一MOS管M1的漏极，第十MOS管M10的源极与第十二MOS管M12的漏极连接，且公共端连接第二MOS管M2的漏极，第十一MOS管M11的源极和第十二MOS管M12的源极接地。第七MOS管M7的漏极与第九MOS管M9的漏极连接，且公共端分别连接第五MOS管M5的栅极与第六MOS管M6的栅极连接的公共端，以及第十一MOS管M11的栅极与第十二MOS管M12的栅极连接的公共端。第八MOS管M8的漏极与第十MOS管M10的漏极连接，且公共端连接输出级电路150。
[0025] 在其中一个实施例中，上行电流补偿电路120包括第十三MOS管M38、第十四MOS管M39、第十五MOS管M40、第十六MOS管M41和第十七MOS管M42。具体地，本实施例中，第十三MOS管M38为PMOS管，第十四MOS管M39、第十五MOS管M40、第十六MOS管M41和第十七MOS管M42均为NMOS管。
[0026] 第十三MOS管M38的源极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中，具体为连接第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极，第十三MOS管M38的栅极外接第一偏置电压Vb1。第十四MOS管M39的漏极连接第十三MOS管M38的漏极，第十四MOS管M39的栅极与第十六MOS管M41的栅极连接，且公共端连接第十三MOS管M38的漏极与第十四MOS管M39的漏极连接的公共端，第十四MOS管M39的源极连接第十五MOS管M40的漏极。第十六MOS管M41的源极连接第十七MOS管M42的漏极，第十五MOS管M40的栅极与第十七MOS管M42的栅极连接，且公共端连接第十四MOS管M39的源极与第十五MOS管M40的漏极连接的公共端。第十六MOS管M41的漏极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中，具体为连接第三MOS管M3的源极与第四MOS管的源极，第十五MOS管M40的源极与第十七MOS管M42的源极均接地GND。
[0027] 下行电流补偿电路130包括第十八MOS管M43、第十九MOS管M44、第二十MOS管M45、第二十一MOS管M46和第二十二MOS管M47。其中，第十八MOS管M43、第十九MOS管M44、第二十MOS管M45和第二十一MOS管M46均为PMOS管，第二十二MOS管M47为NMOS管。
[0028] 第十八MOS管M43的源极和第二十MOS管M45的源极均连接电源端VDD，第十八MOS管M43的漏极连接第十九MOS管M44的源极，第十九MOS管M44的漏极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中，具体为连接第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极。第二十MOS管M45的漏极连接第二十一MOS管M46的源极，第二十一MOS管M46的漏极连接第二十二MOS管M47的漏极。第十八MOS管M43的栅极连接第二十MOS管M45的栅极，且公共端连接第二十MOS管M45的漏极与第二十一MOS管M46的源极连接的公共端，第十九MOS管M44的栅极连接第二十一MOS管M46的栅极，且公共端连接第二十一MOS管M46的漏极与第二十二MOS管M47的漏极连接的公共端。第二十二MOS管M47的源极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中，具体为连接第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极，第二十二MOS管M47的栅极外接第二偏置电压Vb2。
[0029] 其中，第十四MOS管M39和第十五MOS管M40与第十六MOS管M41和第十七MOS管M42构成1:1电流镜结构。第十八MOS管M43和第十九MOS管M44与第二十MOS管M45和第二十一MOS管M46构成1:1电流镜结构。上行电流补偿电路120的作用是当轨到轨输入级电路110中输入的共模电平信号的电压上行至PMOS互补差动对管111停止工作时，将电流镜像电路140提供的工作电流1:1复制到NMOS互补差动对管112中，保持轨到轨输入级电路110的总工作电流恒定。下行电流补偿电路130的作用是当轨到轨输入级电路110输入的共模电平信号的电压下行至NMOS互补差动对管112停止工作时，将电流镜像电路140提供的工作电流1:1复制为PMOS互补差动对管111中，保持轨到轨输入级电路110的总工作电流恒定，具有功耗低、输出波纹小、转换速度比较快等优点。
[0030] 第十三MOS管M38和第二十二MOS管M47均用于调节转换点：通过第一偏置电压Vb1调节第十三MOS管M38的电压，可以改变第十四MOS管M39和第十五MOS管M40与第十六MOS管M41和第十七MOS管M42组成的电流镜结构的开启点；通过第二偏置电压Vb2调节第二十二MOS管M47的电压，可以改变第十八MOS管M43和第十九MOS管M44与第二十MOS管M45和第二十一MOS管M46构成电流镜结构的开启点，从而确定是PMOS互补差动对管111工作，还是NMOS互补差动对管112工作，或是PMOS互补差动对管111和NMOS互补差动对管112同时工作。同时，第十四MOS管M39和第十五MOS管M40的电流是从电流镜像电路140过来的，当第十四MOS管M39和第十五MOS管M40中有电流时，第一MOS管M1和第二MOS管M2中没有电流；相反，当第一MOS管M1和第二MOS管M2中有电流时，第十四MOS管M39和第十五MOS管M40中没有电流。同理，当第二十MOS管M45和第二十一MOS管M46中有电流时，则第三MOS管M3和第四MOS管M4中没有电流；当第三MOS管M3和第四MOS管M4中有电流时，则第二十MOS管M45和第二十一MOS管M46中没有电流。
[0031] 在其中一个实施例中，电流镜像电路140包括偏置电流源、第二十三MOS管M27、第二十四MOS管M28、第二十五MOS管M30、第二十六MOS管29、第二十七MOS管M32、第二十八MOS管M33、第二十九MOS管M34、第三十MOS管M35、第三十一MOS管M36和第三十二MOS管M37。其中，第二十三MOS管M27、第二十四MOS管M28、第二十五MOS管M30、第二十六MOS管29、第三十一MOS管M36和第三十二MOS管M37均为NMOS管，第二十七MOS管M32、第二十八MOS管M33、第二十九MOS管M34和第三十MOS管M35均为PMOS管。
[0032] 偏置电流源的输入端连接电源端VDD，偏置电流源的输出端连接第二十三MOS管M27的漏极，第二十三MOS管M27的源极连接第二十四MOS管M28的漏极，第二十五MOS管M30的源极连接第二十六MOS管M29的漏极，第二十三MOS管M27的栅极连接偏置电流源的输出端与第二十三MOS管M27的漏极连接的公共端，且连接第二十五MOS管M30的栅极，第二十四MOS管M28的栅极连接第二十三MOS管M27的源极与第二十四MOS管M28的漏极连接的公共端，且连接第二十六MOS管M29的栅极，第二十四MOS管M28的源极与第二十六MOS管M29的源极均接地GND。
[0033] 第二十七MOS管M32的漏极连接第二十五MOS管M30的漏极，第二十七MOS管M32的源极连接第二十八MOS管M33的漏极，第二十七MOS管M32的栅极连接第三十MOS管M35的栅极，且公共端连接第二十七MOS管M32的漏极与第二十五MOS管M30的漏极连接的公共端。第二十八MOS管M33的源极连接电源端VDD，第二十八MOS管M33的栅极连接第二十九MOS管M34的栅极，且公共端连接第二十八MOS管M33的漏极与第二十七MOS管M32的源极连接的公共端，第二十九MOS管M34的源极连接电源端VDD。第二十九MOS管M34的漏极连接第三十MOS管M35的源极。第三十MOS管M35的漏极连接轨到轨输入级电路110和上行电流补偿电路120，本实施例中，具体为连接第一MOS管M1的源极、第二MOS管M2的源极以及第十三MOS管的源极。
[0034] 第三十一MOS管M36的漏极连接轨到轨输入级电路110和下行电流补偿电路130，本实施例中，具体为连接第三MOS管M3的源极、第四MOS管M4的源极以及第二十二MOS管M47的源极。第三十一MOS管M36的源极连接第三十二MOS管M37的漏极，第三十一MOS管M36的栅极连接第二十五MOS管M30的栅极，第三十二MOS管M37的栅极连接第二十六MOS管M29的栅极，第三十二MOS管M37的源极接地GND。
[0035] 在其中一个实施例中，电流镜像电路140还包括第三十三MOS管M31，本实施例中，第三十三MOS管M31为PMOS管。第三十三MOS管M31的源极连接第二十七MOS管M32的漏极，第三十三MOS管M33的漏极连接第二十五MOS管M30的漏极，且公共端连接第三十三MOS管M31的栅极。第三十三MOS管M31有阈值电压的分压作用，使第二十七MOS管M32与第三十MOS管M35的漏极电压更为接近，同时，第二十五MOS管M30和第三十一MOS管M36的漏极电压接近，从而降低MOS管的沟道长度调制效应，可以提高电流镜像电路140的复制精度。可以理解，在其他实施例中，第三十三MOS管M31的数量可以有多个。
[0036] 偏置电流源的偏置电流Iref用于提供电路所需要的参考电流。第二十三MOS管M27和第二十四MOS管M28与第二十五MOS管M30和第二十六MOS管M29构成1:1电流镜结构，将参考电流Iref精确复制到第二十七MOS管M32和第二十八MOS管M33中，再由第三十MOS管M35和第二十九MOS管M34与第二十七MOS管M32和第二十八MOS管M33构成的K1：1电流镜结构，将K1倍的参考电流Iref复制到第二十九MOS管M34和第三十MOS管M35中，以提供给第一MOS管M1、第二MOS管M2和上行电流补偿电路120。由第三十一MOS管M36和第三十二MOS管M37与第二十五MOS管M30和第二十六MOS管M29构成K1:1电流镜结构，将K1倍的参考电流Iref复制到第三十一MOS管M36和第三十二MOS管M37中，以提供给第三MOS管M3、第四MOS管M4和下行电流补偿电路130。
[0037] 在其中一个实施例中，输出级电路150包括第三十四MOS管M13、第三十五MOS管M14、第三十六MOS管M15和第三十七MOS管M16。其中，第三十四MOS管M13和第三十五MOS管M14可以均为PMOS管；第三十六MOS管M15和第三十七MOS管M16可以均为NMOS管。
[0038] 第三十四MOS管M13的源极连接电源端VDD，第三十四MOS管M13的栅极连接电流镜像电路140，本实施例中，具体可以是连接第二十八MOS管M33的栅极。第三十四MOS管M13的漏极连接第三十五MOS管M14的源极，第三十五MOS管M15的栅极连接电流镜像电路140，本实施例中，具体可以是连接第二十七MOS管M32的栅极。第三十五MOS管M14的漏极连接第三十六MOS管M15的漏极，且公共端为输出级电路150的输出端，即为轨到轨运算放大器的输出端。第三十六MOS管M15的栅极外接第三偏置电压Vb3，第三十六MOS管M15的源极连接第三十七MOS管M16的漏极，第三十七MOS管M16的栅极连接轨到轨输入级电路110，第三十七MOS管M16的源极接地GND。具体地，本实施例中，第三十七MOS管M16的栅极连接第八MOS管M8的漏极与第十MOS管的漏极连接的公共端。
[0039] 输出级电路150的第三十四MOS管M13和第三十五MOS管M14与第二十八MOS管M33和第二十七MOS管M32构成K2：1电流镜结构，将K2倍的参考电流Iref复制到第三十四MOS管M13和第三十五MOS管M14中。其中K2倍的参考电流Iref用于输出级电路150的电流偏置，为第三十六MOS管M15和第三十七MOS管M16的工作提供偏置电流。
[0040] 在其中一实施例中，轨到轨运算放大器还包括上行电流比较电路160和下行电流比较电路170，上行电流比较电路160和下行电流比较电路170均分别连接轨到轨输入级电路110、电流镜像电路140和输出级电路150。
[0041] 上行电流比较电路160包括第三十八MOS管M17、第三十九MOS管M18、第四十MOS管M19、第四十一MOS管M20和第四十二MOS管M25。其中，第三十八MOS管M17和第三十九MOS管M18可以均为PMOS管，第四十MOS管M19、第四十一MOS管M20和第四十二MOS管M25可以均为NMOS管。
[0042] 第三十八MOS管M17的源极连接电源端VDD，第三十八MOS管M17的栅极连接电流镜像电路140，本实施例中，具体为连接第二十八MOS管M33的栅极。第三十八MOS管M17的漏极连接第三十九MOS管M18的源极，第三十九MOS管M18的栅极连接电流镜像电路140，本实施例中具体为连接第二十七MOS管M32的栅极。第三十九MOS管M18的漏极连接第四十MOS管M19的漏极，且公共端连接第四十二MOS管M25的栅极。其中，第三十八MOS管M17和第三十九MOS管M18与第二十八MOS管M33和第二十七MOS管M32构成(K3-K1-△K)：1的电流镜结构。由于第三十三MOS管M31的阈值分压作用，使第二十七MOS管M32与第三十九MOS管M18的漏极电压更为接近，从而降低MOS管的沟道长度调制效应，可以提高电流镜结构对电流的复制精度。
[0043] 第四十MOS管M19的栅极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中具体为连接第九MOS管M9的栅极。即，第四十MOS管M19的栅极与第九MOS管M9的栅极共点，可以
跟踪第九MOS管M9中电流的变化。第四十MOS管M19的源极连接第四十一MOS管M20的漏极，第四十一MOS管M20的栅极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中具体为连接第十一MOS管的栅极。第四十一MOS管M20的源极接地GND。第四十二MOS管M25的漏极连接电源端VDD，第四十二MOS管M25的源极连接输出级电路150，具体为连接输出级电路150的输出端，即连接第三十五MOS管M14的漏极与第三十六MOS管M15的漏极连接的公共端。
[0044] 下行电流比较电路170包括第四十三MOS管M21、第四十四MOS管M22、第四十五MOS管M23、第四十六MOS管M24和第四十七MOS管M26。其中，第四十三MOS管M21、第四十四MOS管M22和第四十七MOS管M26可以均为PMOS管，第四十五MOS管M23、第四十六MOS管M24可以均为NMOS管。
[0045] 第四十三MOS管M21的源极连接电源端VDD，第四十三MOS管M21的栅极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中具体为连接第五MOS管M5的栅极，第四十三MOS管M21的漏极连接第四十四MOS管M22的源极。第四十四MOS管M22的栅极连接轨到轨输入级电路110，本实施例中具体为连接所述第七MOS管M7的栅极，第四十四MOS管M22的漏极连接第四十五MOS管M23的漏极，且公共端连接第四十七MOS管M26的栅极。
[0046] 第四十五MOS管M23的栅极连接电流镜像电路140，本实施例中具体为连接第二十五MOS管30的栅极，所述第四十五MOS管M23的源极连接第四十六MOS管M24的漏极。第四十六MOS管M24的栅极连接电流镜像电路140，本实施例中，具体为连接第二十六MOS管M29的栅极，第四十六MOS管M24的源极接地GND。第四十七MOS管M26的漏极接地GND，第四十七MOS管M26的源极连接输出级电路150，具体为连接输出级电路150的输出端，即为连接第三十五MOS管M14的漏极与第三十六MOS管M15的漏极连接的公共端。
[0047] 其中，第四十五MOS管M23和第四十六MOS管M24与第二十五MOS管M30和第二十六MOS管M29构成(K3-K1-△K):1电流镜结构。由于第三十三MOS管M31的阈值分压作用，使第二十五MOS管M30与第四十五MOS管M23的漏极电压更为接近，从而降低MOS管的沟道长度调制效应，可以提高电流镜结构对电流的复制精度。
[0048] 上行电流比较电路160的作用是比较轨到轨输入级电路110的第九MOS管M9中电流与(K3-K1-△K)倍参考电流Iref的大小，从而根据比较的大小控制第四十二MOS管M25的通断，提高轨到轨运算放大器的工作效率和带宽，并且降低其静态功耗。下行电流比较电路170的作用是比较轨到轨输入级电路110的第七MOS管M7中电流与(K3-K1-△K)倍参考电流Iref的大小，从而根据比较的大小控制第四十七MOS管M26的通断，提高轨到轨运算放大器的工作效率和带宽，并且降低其静态功耗。本实施例中，通过上行电流比较电路160和下行电流比较电路170，具体可以使工作效率达到90％，输出带宽超过15MHZ。
[0049] 在其中一实施例中，轨到轨运算放大器还包括米勒补偿电路180，轨到轨输入级电路110通过米勒补偿电路180连接输出级电路150。米勒补偿电路180用于轨到轨输入级电路110与输出级电路150两级间的电容补偿，从而得到合适的频响特性。
[0050] 具体地，本实施例中，米勒补偿电路180包括
电阻R1和电容C1，电阻R1和电容C1
串联，且电阻R1的一端连接轨到轨输入级电路110，具体为连接三十七MOS管M16的栅极连接轨到轨输入级电路110的公共端。电容C1的一端连接输出级电路150的输出端。调节电阻R1和电容C1的大小，用一个零点消除一个极点，可以提高轨到轨运算放大器的输出带宽和稳定性。
[0051] 亚阈值区状态下MOS管的跨导可表示为：
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 其中，IDrain为MOS管的漏极电流，n为
亚阈值斜率因子，Vt为热势电压，Cox为单位面积山氧化层电容，Cdep为单位面积耗尽区电容，k是玻尔兹曼常数，T是绝对
温度，q是
电子电量。由上述三个公式可知亚阈值区的MOS管跨导由MOS管漏极电路决定，因此只要保证PMOS互补差动对管111和NMOS互补差动对管112总的工作电流不变，则轨到轨输入级电路110的跨导可以基本保持恒定不变。
[0056] 本实施例中，轨到轨输入级电路110总跨导为：
[0057]
[0058] 式中，gm,RTR为轨到轨输入级电路110的总跨导，IP,tail为PMOS互补差动对管111的尾电流，IN,tail为NMOS互补差动对管112的尾电流，均为K1Iref，即K1倍的参考电流Iref。如果PMOS互补差动对管111停止工作时将IP,tail补偿到IN,tail，或是NMOS互补差动对管112停止工作时将IN,tail补偿到IP,tail，就可以基本维持轨到轨输入级电路110跨导的恒定，其总跨导就可表示为：
[0059]
[0060] 式中，K1为电流镜像电路140的复制比例，Iref为参考电流。因此，该电路的工作过程可以分为共模电平信号非常接近VDD/2、共模电平信号上行、共模电平信号下行三个部分。
[0061] (1)当输入共模电平信号的电压非常接近VDD/2时，PMOS互补差动对管111的第一MOS管M1和第二MOS管M2与NMOS互补差动对管112的第三MOS管M3和第四MOS管M4均正常工作，上行电流补偿电路120和下行电流补偿电路130均处于关闭状态，总跨导为PMOS互补差动对管111和NMOS互补差动对管112的跨导相加,为K1Iref/nVt。
[0062] 此时，第九MOS管M9中的电流约为(K3-K1/2)Iref，理论上第四十MOS管M19中的电流应与第九MOS管M9相等，而第三十八MOS管M17和第三十九MOS管M18要精确镜像第二十八MOS管M33和第二十七MOS管M32中的电流，其电流值为(K3-K1-△K)Iref，小于第四十MOS管M19中的电流(K3-K1/2)Iref，此时第四十MOS管M19的漏极电压较低，尚不足与使第四十二MOS管M25开启，上行电流比较电路160处于关闭状态。同理，此时下行电流比较电路170也处于关闭状态。
[0063] (2)当输入共模电平信号的电压上行至PMOS互补差动对管111中的第一MOS管M1和第二MOS管M2停止工作时，上行电流补偿电路120开始工作，将第二十九MOS管M34和第三十MOS管M35中的电流补偿为NMOS互补差动对管的工作电流，此时NMOS互补差动对管112总的工作电流为2K1Iref，轨到轨输入级电路110总跨导值为K1Iref/nVt，与两个互补差动对管同时工作时一致，保持了跨导的恒定。
[0064] 此时，第九MOS管M9中的电流为K3Iref，理论上第四十MOS管M19中的电流也是K3Iref，大于第三十八MOS管M17和第三十九MOS管M18中的镜像电流(K3-K1-△K)Iref，这时电流会驱使第四十MOS管M19和第四十一MOS管M20进入接近饱和区的线性区，由于沟道长度调制效应，处于饱和区的第三十九MOS管M18的漏极电压较低，即第四十二MOS管M25的栅极电压较低，第四十二MOS管M25处于截止状态，上行电流比较电路160处于完全关闭状态。同时，第七MOS管M7中的电流为(K3-K1)Iref，第四十四MOS管M22的电流也为(K3-K1)Iref，略大于第四十五MOS管M23和第四十六MOS管M24中的电流(K3-K1-△K)Iref，这时电流会驱使第四十三MOS管M21和第四十四MOS管M22进入接近饱和区的线性区，由于沟道长度调制效应，处于饱和区的第四十五MOS管M23的漏极电压较高，即第四十七MOS管M26的栅极电压较高，第四十七MOS管M26处于接近开启的关闭状态，下行电流比较电路170处于接近开启的关闭状态。
[0065] 当将输出级电路150的输出端Vout与反相输入端Vin-相接构成单位增益放大器时，同相输入端Vin+输入的电平信号的电压减小△V，第七MOS管M7中的电流会减小gm，RTR△V，第四十四MOS管M22中的电流也会相应减小，驱使第四十三MOS管M21和第四十四MOS管M22进入饱和区，并驱使第四十五MOS管M23和第四十六MOS管M24进入线性区，第四十五MOS管M23漏极电平降低，从而开启第四十七MOS管M26。△V越大，第四十七MOS管M26的栅压越低，第四十七MOS管M26中产生的电流越大，增大了对负载电容的泄放电流，有效提高了输出级电路150的工作效率和工作速率。当输出级电路150的输出端Vout与同相输入端Vin+接近时，反相输入端Vin-与同相输入端Vin+接近，第七MOS管M7和第四十四MOS管M22中的电流接近(K3-K1)Iref，第四十七MOS管M26再次关闭，最终电压由输出级电路150决定。如果同相输入端Vin+输入的电平信号的电压小幅上升，第七MOS管M7和第四十四MOS管M22电流小幅升高，第四十七MOS管M26进一步远离开启状态，最终
输出电压由输出级电路150确定。通过上述分析可以发现，上行电流比较电路160和下行电流比较电路170组合到一起可以对输入与输出边缘响应不太敏感的甲乙类输出级电路。
[0066] (3)当输入的共模电平信号的电压下行至NMOS互补差动对管112停止工作时，下行电流补偿电路130开始工作，将第三十一MOS管M36和第三十二MOS管M37中的电流补偿为PMOS互补差动对管111的工作电流。此时PMOS互补差动对管111总的工作电流为2K1Iref，其总跨导值为K1Iref/nVt，保持在恒定状态。上行电流比较电路160和下行电流比较电路170的工作过程与共模电平信号的电压上行时相似，用于降低功耗，提高工作效率和输出速率。
[0067] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本
说明书记载的范围。
[0068] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明
专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附
权利要求为准。
