第２７卷第２期 黑龙江工程学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．２７。Ｎｏ．２ ２０１３年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎ．，２０１３ ＣＭＯＳ轨到轨电压跟随器的设计及优化 赵树军 （黑龙江工程学院电气与信．ｇ－工程学院，黑龙江哈尔滨１５００５０）． 摘要：电压跟随器的电压放大倍数总是小于且趋近于１，它具有低输出阻抗、高输入阻抗的特点。也就是说在理想 的情况下，从前级电路看去电压跟随器相当于断路，从后级电路看去电压跟随器又相当于一个恒压源。在具体电路 中，电压跟随器一般做缓冲级和隔离级，并起着前后级阻抗匹配的作用。文中提出一种ＡＢ类高性能ＣＭＯＳ轨到轨 电压跟随器，电路是以ＡＢ类对称式电压跟随器为基础设计的。 关键词：ＣＭＯＳ；轨到轨；电压跟随器；输出阻抗 中图分类号：ＴＮ７２２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１－４６７９（２０１３）０２—００６１—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＭＯＳ ｒａｉｌ ｔｏ ｒａｉｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ＺＨＡＯ Ｓｈｕ－ｊｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｉｓ ａｌｗａｙｓ Ｉｅｓｓ ｔｈａｎ １，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ．１ｆ ｉｎ ｉｄｅａ１ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉＳ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｏ ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｔ—ｓｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｉｏ— ｗｅｒ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｂｕｆｆｅｒ ｏｒ ａｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｇｅｎｅｒａ１．Ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ—ｅｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｔ—ｓｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｌａｓｓ ＡＢ－ＣＭＯＳ ｒａｉｌ ｔｏ ｒａｉｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏ— ｗｅｒ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＢ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳ；ｒａｉｌ ｔｏ ｒａｉｌ；ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ；ｏｕｔｐｕｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ １跟随器概述 改善串扰、提高显示质量有很大关联。消费类的 ＳＴＮ驱动芯片对跟随器设计和实现提出要求：功率 ＣＭｏｓ技术刚刚问世时，人们还不清楚它会对 损耗低、输出信号失真较低、电压输出范围较大。 模拟集成电路设计产生多么重要的影响。然而，现 这几个要求也是跟随器未来的研究和发展方 在ｃＭＯＳ技术已成为混合信号环境中模拟电路设 向［２１３］。 计的一种选择。这种技术的普及并不是由于设计 电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入 者的极力推广，而恰恰是工业设计的必然选择ｒ１］。 电压相同，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接 ８０年代末，液晶显示技术飞速发展。虽然超扭 近１。电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高，而 曲线列在显像效果上不如有源矩阵的液晶显示技 输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到很高是容 术，但对液晶显示技术的显示效果要求并不高，且 易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至 超扭曲线列结构简单、成本低廉、功率损耗低等方 更低Ⅲ。 面比有源矩阵的液晶显示技术有着明显的提高，故 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级（ｂｕｆｆｅｒ） 其在手机、ＭＰ３、ＭＰ４、计算器等便携式消费电子产 及隔离级＿５］。因为电压放大器的输出阻抗一般比较 品中占有相当大的市场。 高，通常在几千欧姆到几十千欧姆，如果后级的输 跟随器是ＳＴＮ驱动芯片的研究难点，其性能与 入阻抗比较小，那么信号就会有部分损耗在前级的 输出电阻中。这个时候，就需要电压跟随器从中进 收稿日期：２０１２—０７—０５ 行缓冲，起到承上启下的作用。应用电压跟随器的 作者简介：赵树军（１９７０一），男，副教授，研究方向：应用物理 另外一个好处是提高了输入阻抗，这样，输入电容 ・６２・ 黑龙江工程学院学报（自然科学版） 第２７卷 的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供 跟随器为基础改进获得的。 了前提保证ｌｌ６Ｊ。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在ＨＩ— ＦＩ电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如 果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电 路是不能很好工作的。但是由于引入了大环路负 反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路与 输人信号叠加，造成音质模糊，清晰度下降，所以有 一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路， 试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈带 来的弊端。但是，由于放大器末级的工作电流变化 很大，其失真度很难保证 ］。 在这里，电压跟随器的作用正好达到应用，把 电路置于前级和功放之间，切断扬声器的反电动势 对前级的干扰作用，使音质的清晰度得到大幅度 提高。 目前，电压跟随器除了在电乐器方面有较大的 应用，其还被广泛应用于ＡＮＮ（人工神经网络）、 ＬＥＤ显示屏、音频功放等诸多领域，发展前景十分 乐观。 ２ 轨到轨电压跟随器的设计及优化 ２．１传统对称式电压跟随器电路描述 传统对称式电压跟随器如图１所示，电路中 ４个晶体管（Ｍ１一Ｍ４）连接成两级共漏缓冲器。 ｄ 图１传统对称式电压跟随器 这种结构有３个缺点［８］：①由于ＮＭＯＳ和 ＰＭＯＳ之间的栅源电压不匹配，导致它需要很大的 补偿电压；②由于ＭＯＳ晶体管相对于三极管（ＢＪＴ） 的跨导较小，而导致输出阻抗增高；③线性输出摆 幅较小。为了尽量避免上述缺点，对电路进行了 改进。 ２．２改进后的电路描述 图２的电路原理图是以图１中传统对称式电压 Ｍ Ｍ 图２改进后的轨到轨电压跟随器 Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５和Ｍ７形成两级共漏，转移电流比 率为ａ的ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ管（Ｍ２一Ｍ４、Ｍ６一Ｍ８）形 成电流镜装置，而Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、Ｍ７这４个晶体管 被电流镜装置所偏置。Ｍ１和Ｍ２有相同的漏电 流，Ｍ３和Ｍ４有相同的漏电流，所有的ＮＭＯＳ和 ＰＭＯＳ都具有相同的尺寸，Ｍ１的栅源电压和Ｍ３ 的栅源电压接近相等。这种栅源电压匹配方法也 可以应用于跟随器Ｍ５一Ｍ８。最终，改进后的电压跟 随器的补偿电压将会降到最小ｌ９］。通过运用两个复 合管（Ｍ１一Ｍ４、Ｍ５ Ｍ８），可以增加ＭＯＳ管输出的跨 导。跟随器Ｍ１ Ｍ４和Ｍ５一Ｍ８的跨导可以分别用 式（１）、式（２）表示。 ｇＭ（１ｏｗｅｒ）一 ｇ Ｍｔ Ｘ ｇＭ３ ， （１） ｇＭ５×ｇＭ７ ，０、 ｇＭ‘ ｐｐｅ ’一—ｇＭＳ－－ａ—Ｘ ｇＭ７。 ， 从式（１）、式（２）看出，通过控制转移电流比率ａ 就可以调节输出晶体管的跨导。仿真显示， 取恰 当的值时，能够获得很高的跨导。 输入电压的幅度在 ｔ。 和 ｎ之间，此时电路 将会作为一种传统电压跟随器，而这种传统电压跟 随器会有很高的跨导和很低的栅源电压不匹配现 象。通过式（１）、式（２），可以算出输出阻抗，如式 （３）所示。 Ｒ。一（ 一 ）∥（ 一羔）． ｃ３， 晶体管Ｍ１和Ｍ９被连接作为差分放大器，假 如输入电压比 ｌ。 低，此时Ｍ１和Ｍ９的偏置电流 的大部分变成Ｍ９的漏电流，Ｊ 被Ｍｌｌ—Ｍ１２、 第２期 赵树军：ＣＭＯＳ轨到轨电压跟随器的设计及优化 Ｍ１３一Ｍ１４两个电流镜镜像复制。Ｍ１４的宽是Ｍ１３ 的～倍。输出值能够在负极的过驱动（ＶＤＳＡＴ１４） 范围内摆动，此时输出阻抗Ｒ。ｃ－ 由式１／ｇＭ 一 ／ｇ 给出。相似的，晶体管Ｍ５和Ｍ１０被连接作 为差分放大器，假如输入电压比 高，此时Ｍ５和 Ｍ１０的偏置电流，ｂ１的大部分变成Ｍ１０的漏电流， ｂ１被Ｍ１５一Ｍ１６、Ｍ１７一Ｍ１８两个电流镜镜像复制。 Ｍ１８的宽是Ｍ１７的Ｎ倍。输出值能够在正极的过 驱动（ＶＤＳＡＴ１８）范围内摆动，此时输出阻抗Ｒｏ（ｈｉ ｈ） 由式１／ｇＭ。－－ａ／ｇＭ１给出［１（：】］。 ２．３对改进后的电路图完成仿真并记录数据 直流（２．５ Ｖ）传输特性，如图３所示。 Ｔ—Ｓｐｉｃｅｌ ３．０ ／ ２．５ ∞它＼０ 三【ｕ ∞ 一０ 一０＞ ／ ２．０ ０Ｏ ５０５Ｏ５Ｏ乏００４４ ５Ｏ５Ｏ／ ５Ｏ５０ 芝１．５ １．０ ／ ／ ０．５ ０ １．０ １．５ ２．０ ２ ５ ３．０ ／Ｖ 直流（２．５ Ｖ）传输特性 给定Ｖａｄ一２．５ Ｖ，负载Ｒ一６００ １２，对电路电源 电压进行直流（ＤＣ）扫描分析，其扫描范围为０～ ２．５ Ｖ，从图４可以看出，０．７～１．４ Ｖ电压跟随效果 线性度很高。直流（３．３ Ｖ）传输特性如图４所示。 Ｔ—Ｓｐｉｃｅ１ ／ ３．０ ／２．５ ／ ＞２．０ ＼ １．５ ／ １．０ ／ ０．５ ／ ０ ０．０ ０．５ １．０ Ｉ．５ ２．０ ２ ５ ３．０ ／Ｖ 图４直流（３．３ Ｖ）传输特性 给定 一３．３ Ｖ，负载Ｒ一６００ １２，对电路电源 电压进行直流（ＤＣ）扫描分析，其扫描范围为０～ ３．３ Ｖ。由图４可以看出，０．７～１．７ Ｖ电压跟随效 果线性度很高，基本达到设计要求。经过与图３对 比得出，提高Ｖｄｄ值可以增大输入电压跟随范围。 改进后电压跟随器的频率响应如图５所示。 本文设计的ＣＭＯＳ轨到轨电压跟随器在驱动 负载Ｒ一６００ Ｑ的情况下，此电路在频率ｌ ｋ～１ Ｇ 的范围内，得出图５所示的电压增益输出曲线。由 Ｏ Ｏ Ｏ ５ 图 ３ 图５改进后电压跟随器的频率响应 图５可知，改进后的电压跟随器增益为一Ｏ．４ ｄＢ，截 止频率（一３ ｄＢ）大约为５００ ＭＨｚ。改进后的电路 基本能满足所要求的设计指标。Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、Ｍ７ 跨导如图６所示。 ３０ ２５ ２０ １５ ｌ０ ５ ０ ／ｖ 图６ Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、Ｍ７跨导 通过Ｔ－Ｓｐｉｃｅ网表的编辑，仿真出图３～４波 形，导出Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、Ｍ７的（．ｏｕｔ）输出文件，然后 粘贴至Ｅｘｃｅｌ表格中，编辑公式（２）～（３），最终得出 输出阻抗图形如图７所示。 １０ｏ 詈 ０。 图７输出阻抗 由图７可知，ＣＭＯＳ轨到轨电压跟随器在驱动 负载Ｒ一６００ Ｑ情况下，输入电压在０．８～１．７ Ｖ跟 随范围内，输出阻抗小于２０ Ｑ，基本达到设计要求。 结果表明改进后的电压跟随器具有较低的输 出阻抗、较大的线性输出电压摆幅、较大的截止频 率。改进后的电压跟随器在负载Ｒ一６００ Ｑ的情况 下，提高 值可以增大输人电压跟随范围（ 从 ２．５ Ｖ提高到３．３ Ｖ）。改进后的电路在频率 黑龙江工程学院学报（自然科学版） 第２７卷 １ ｋＨｚ￣ｌ ＧＨｚ的范围内工作时，可以得到增益约 为一０．４ ｄＢ，截止频率（一３ ｄＢ）约为５００ ＭＨｚ。当 输入电压在０．７～１．７ Ｖ范围内变化时，输出与输入 表现出较好的跟随效果，最大输出阻抗低于２０ Ｑ， 以上设计指标已经满足了最初的设计要求。写出 各Ｍ（）Ｓ管宽长比的简单计算过程，最后列出改进 后电路的各个ＭＯＳ管宽长比数值。 而应用于手机、ＭＰ３、ＭＰ４、计算器等便携式消费电 子产品市场。 参考文献 ［１］ＡＩ Ｉ ＥＮ Ｐ．Ｅ．Ｄｏｕｇｌａｓ Ｒ．Ｈｏｌｂｅｒｇ．ＣＭ（）ｓ模拟集成电 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