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Design and Analysis of a Low-Power, High-Gain Current-Balanced Constant Transconductance Rail-to-Rail CMOS Operational Amplifier

本文介绍了一种采用 180 nm CMOS 工艺的轨到轨运算放大器，该放大器利用电流平衡技术和折叠共源共栅架构，实现了高直流增益 (106.8 dB)、低功耗 (116.74 µW) 以及在整个输入共模范围内极小的跨导变化 (±1.77%)。

原作者： KAVITHA S, SARAVANAKUMAR N, Talluri Vineel Jessy, Manjubala M

发布于 2026-06-29

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CC BY 4.0

原作者： KAVITHA S, SARAVANAKUMAR N, Talluri Vineel Jessy, Manjubala M

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你正试图让一套水管系统始终保持运行顺畅，无论你在起始端施加多大的水压。在微型计算机芯片（特别是那些由电池驱动的芯片）的世界里，这条“水管”就是电信号，而“压力”就是来自电池的电压。

这篇论文描述了一种新型设计的特殊电子元件——运算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）。你可以把运算放大器想象成一个超级灵敏的音量旋钮或信号放大器。它的任务是接收微弱、细小的信号，并将其放大得响亮清晰，且不产生失真。

以下是作者所做工作的拆解，使用了简单的类比：

问题所在：“中间地带的交通拥堵”

在旧的设计中，这些放大器拥有两支工作团队（一支由“NMOS”晶体管组成的团队和另一支由“PMOS”晶体管组成的团队）。

当输入信号非常低时，PMOS 团队承担了所有的工作。
当输入信号非常高时，NMOS 团队接管了工作。
问题在于： 在中间范围内（即信号既不高也不低的区间），两支团队试图同时工作。这导致了“交通拥堵”。团队的总功率（称为跨导或 $g_m$ ）会突然飙升然后又掉下来。

想象一场接力赛，两名跑者试图同时携带接力棒。他们会互相碰撞，比赛变得混乱，导致团队的速度变得难以预测。这种混乱使得放大器变得不稳定，导致声音（或数据）发生失真。

解决方案：一个聪明的“交通控制器”

作者设计了一个带有**电流平衡网络（Current-Balancing Network）**的新系统。你可以把它想象成站在两支团队之间的一个非常聪明的交通控制器。

恒定流量： 这个控制器不会让两支团队在中间阶段都全速运转，而是温柔地告诉其中一支团队减速，同时让另一支团队加速。
结果： 无论信号处于其范围内的哪个位置，总的工作量都保持完全一致。这就像一场接力赛，接力棒交接得极其平滑，以至于跑者的速度永远不会改变，即使是在更换接力棒的时候。

架构设计：“折叠式共源极放大”（Folded Cascode）与“甲乙类”（Class AB）输出级

为了确保这个放大器有足够的动力去驱动扬声器或传感器，他们增加了两个特殊功能：

折叠式共源极增益级（Folded Cascode Gain Stage）： 想象一座多层建筑，信号通过一条“折叠”路径到达顶层。这种设计允许放大器即使在电池电压很低（1.6伏特）的情况下，也能在极小的空间内挤出大量的功率（高增益）。
甲乙类（Class AB）输出级： 这就像汽车的混合动力引擎。它足够高效以节省电池（低功耗），但在需要时又足够强劲以推动沉重的负载（高驱动能力）。

研究结果：他们取得了什么成就？

团队使用标准的制造工艺（180 nm 技术）对他们的新设计进行了测试。以下是他们的发现：

超强稳定性： “交通拥堵”消失了。他们团队速度的变化（跨导变化）仅为 ±1.77%。这是极其平滑的表现。
音量极大（高增益）： 它能将信号放大约 2200 万倍（106.8 dB），这是一个巨大的音量提升。
对电池友好： 它消耗的功率非常低——仅约 117 微瓦。为了让你有个直观的概念，与他们在对比表中提到的其他类似设计相比，它的功耗降低了约 93%。
稳定性高： 当输入信号快速变化时，它不会产生波动或变得困惑。

核心结论

作者创造了一种“智能”放大器，能够让其性能从最低到最高的输入信号都保持完美稳定。通过使用一种巧妙的电流平衡技巧，他们消除了旧设计中混乱的中间地带问题。

根据论文，这使得他们的放大器非常适合低功耗混合信号应用和生物医学应用（如心电监护仪或助听器），在这些应用中，你需要清晰的信号、长久的电池寿命，以及一个不会因环境变化而产生困惑的设备。他们尚未在实际患者或真实设备上进行测试；他们仅在计算机上进行了模拟，以证明该设计的有效性。

技术摘要：一种低功耗、高增益、电流平衡型恒定跨导轨到轨 CMOS 运算放大器的设计与分析

问题陈述
便携式电子设备和电池供电系统的快速扩张，产生了对低电压、低功耗模拟电路设计的迫切需求。虽然轨到轨（Rail-to-Rail）运算转导放大器（OTA）对于最大限度地扩大传感器接口、生物医学仪器和数据转换器的输入共模范围至关重要，但传统的架构面临着显著的稳定性挑战。在标准的互补式 CMOS OTA 中，PMOS 和 NMOS 差分输入对之间的切换会导致总转导（ $g_m$ ）发生大幅波动。如对传统设计的分析所示，这种波动会导致电压增益下降、带宽不一致、线性度降低，并可能导致电路频率响应的不稳定。现有的解决方案（如 Bruun、Hogervorst 和 Rincon-Mora 的研究）试图通过主动消除或恒定 $g_m$ 输入级来解决这些问题，然而在保持高增益和低功耗的同时，实现全输入范围内真正的恒定转导仍然是一个复杂的工程难题。

方法论与架构
为了应对这些局限性，作者提出了一种新型电流平衡型轨到轨 CMOS 运算放大器，该设计采用 180 nm CMOS 工艺，工作电压为 1.6 V。该设计集成了五个主要功能模块：

偏置生成： 利用工作在强反型区的二极管连接晶体管（M0、M8、M16）来产生稳定的参考电流。
互补差分输入级： 采用 PMOS（M2、M3）和 NMOS（M11、M12）差分对，以确保轨到轨的输入能力。
电流平衡网络： 这是本研究的核心创新点，该网络（由晶体管 M1、M7、M22、M6、M15、M9、M10、M18 和 M19 组成）能够动态调整输入对的尾电流。通过控制 PMOS 和 NMOS 对之间的电流转向，该网络确保了即使在两个差分对共同导通的过渡区域，总转导也能保持稳定。
折叠共源极增益级： 该阶段（使用 PMOS M21–M25 和 NMOS M26–M29）旨在实现高开环增益和大输出电阻，这对于低电压操作至关重要。
Class-AB 输出级： 由晶体管 M52 和 M55 实现，该阶段提供了比传统 Class-A 级更好的驱动能力、更高的电流效率和增强的压摆率，同时最大限度地减少了失真。

设计方法特别针对最小化 $g_m$ 变化，通过确保差分对之间的平滑交叉，防止在传统过渡区域中常见的转导“翻倍”现象。

主要贡献
本工作的核心贡献是成功实现了一种能够稳定全输入共模范围内转导的电流平衡技术。不同于可能遭受增益和带宽波动的现有架构，本设计保持了约 118.4 µS 的近乎恒定的 $g_m$ 。此外，本文还贡献了一种适用于混合信号应用的高增益、低功耗架构，证明了在不牺牲放大器稳定性或线性度的前提下，可以实现显著的功耗降低。

仿真结果
通过全面的 DC、AC、瞬态和功率分析对所提出的放大器进行了评估。在 1.6 V 电压下的仿真结果表明：

转导稳定性： 在整个轨到轨输入范围内，总转导的变化被最小化至 ±1.77%（根据最大值 120.5 µS 和最小值 116.3 µS 计算得出）。
增益与带宽： 放大器实现了 106.8 dB 的直流开环增益，单位增益频率为 10.857 MHz，相位裕量为 66.9°，确保了闭环运行的稳定性。
功耗效率： 平均功耗为 116.74 µW，在高频全摆幅条件下，动态功耗仅在 116.4 µW 至 117 µW 之间轻微波动。
其他指标： 该设计表现出 8.45 V/µs 的压摆率、76.45 dB 的共模抑制比（CMRR）以及 74.12 dB 的电源抑制比（PSRR）。

意义与主张
本文声称，所提出的架构有效地平衡了高增益、低功耗和稳定的转导。作者强调，与某些现有设计（具体引用了与 2.13 mW 设计的对比）相比，实现了约 93.5% 的显著功耗降低，同时相比于一个同类高增益参考设计，实现了约 0.2% 的直流增益提升。转导的稳定性被视为实现精密应用中可靠模拟信号处理的关键。

作者总结道，该设计非常适用于低功耗混合信号和生物医学应用。他们也谨慎地指出，虽然仿真结果令人满意，但未来的工作将侧重于版图后仿真、蒙特卡洛分析以及工艺-电压-温度（PVT）验证，以充分验证该设计在面对制造和环境变化时的鲁棒性。这项工作被定位为迈向更可靠的传感器接口和数据转换器模拟前端的重要一步。

问题所在：“中间地带的交通拥堵”

解决方案：一个聪明的“交通控制器”

架构设计：“折叠式共源极放大”（Folded Cascode）与“甲乙类”（Class AB）输出级

研究结果：他们取得了什么成就？

核心结论

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