趙樹軍

（黑龍江工程學院電氣與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

1 跟隨器概述

CMOS技術剛剛問世時，人們還不清楚它會對模擬集成電路設計產生多么重要的影響。然而，現在CMOS技術已成為混合信號環(huán)境中模擬電路設計的一種選擇。這種技術的普及并不是由于設計者的極力推廣，而恰恰是工業(yè)設計的必然選擇［1］。

80年代末，液晶顯示技術飛速發(fā)展。雖然超扭曲線列在顯像效果上不如有源矩陣的液晶顯示技術，但對液晶顯示技術的顯示效果要求并不高，且超扭曲線列結構簡單、成本低廉、功率損耗低等方面比有源矩陣的液晶顯示技術有著明顯的提高，故其在手機、MP3、MP4、計算器等便攜式消費電子產品中占有相當大的市場。

跟隨器是STN驅動芯片的研究難點，其性能與改善串擾、提高顯示質量有很大關聯。消費類的STN驅動芯片對跟隨器設計和實現提出要求：功率損耗低、輸出信號失真較低、電壓輸出范圍較大。這幾個要求也是跟隨器未來的研究和發(fā)展方向［2－3］。

電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓相同，電壓跟隨器的電壓放大倍數恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點就是輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到很高是容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低［4］。

在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級（buffer）及隔離級［5］。因為電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐姆到幾十千歐姆，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有部分損耗在前級的輸出電阻中。這個時候，就需要電壓跟隨器從中進行緩沖，起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處是提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證［6］。

電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離，在HIFI電路中，關于負反饋的爭議已經很久了，其實，如果真的沒有負反饋的作用，相信絕大多數的放大電路是不能很好工作的。但是由于引入了大環(huán)路負反饋電路，揚聲器的反電動勢就會通過反饋電路與輸入信號疊加，造成音質模糊，清晰度下降，所以有一部分功放的末級采用了無大環(huán)路負反饋的電路，試圖通過斷開負反饋回路來消除大環(huán)路負反饋帶來的弊端。但是，由于放大器末級的工作電流變化很大，其失真度很難保證［7］。

在這里，電壓跟隨器的作用正好達到應用，把電路置于前級和功放之間，切斷揚聲器的反電動勢對前級的干擾作用，使音質的清晰度得到大幅度提高。

目前，電壓跟隨器除了在電樂器方面有較大的應用，其還被廣泛應用于ANN（人工神經網絡）、LED顯示屏、音頻功放等諸多領域，發(fā)展前景十分樂觀。

2 軌到軌電壓跟隨器的設計及優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)對稱式電壓跟隨器電路描述

傳統(tǒng)對稱式電壓跟隨器如圖1所示，電路中4個晶體管（M1－M4）連接成兩級共漏緩沖器。

圖1 傳統(tǒng)對稱式電壓跟隨器

這種結構有3個缺點［8］：①由于 NMOS和PMOS之間的柵源電壓不匹配，導致它需要很大的補償電壓；②由于MOS晶體管相對于三極管（BJT）的跨導較小，而導致輸出阻抗增高；③線性輸出擺幅較小。為了盡量避免上述缺點，對電路進行了改進。

2.2 改進后的電路描述

圖2的電路原理圖是以圖1中傳統(tǒng)對稱式電壓跟隨器為基礎改進獲得的。

圖2 改進后的軌到軌電壓跟隨器

M1、M3、M5和M7形成兩級共漏，轉移電流比率為α的 NMOS和PMOS管（M2－M4、M6－M8）形成電流鏡裝置，而 M1、M3、M5、M7這4個晶體管被電流鏡裝置所偏置。M1和M2有相同的漏電流，M3和M4有相同的漏電流，所有的NMOS和PMOS都具有相同的尺寸，M1的柵源電壓和M3的柵源電壓接近相等。這種柵源電壓匹配方法也可以應用于跟隨器M5－M8。最終，改進后的電壓跟隨器的補償電壓將會降到最?。?］。通過運用兩個復合管（M1－M4、M5－M8），可以增加 MOS管輸出的跨導。跟隨器M1－M4和M5－M8的跨導可以分別用式（1）、式（2）表示。

從式（1）、式（2）看出，通過控制轉移電流比率α就可以調節(jié)輸出晶體管的跨導。仿真顯示，α取恰當的值時，能夠獲得很高的跨導。

輸入電壓的幅度在Vlow和Vhigh之間，此時電路將會作為一種傳統(tǒng)電壓跟隨器，而這種傳統(tǒng)電壓跟隨器會有很高的跨導和很低的柵源電壓不匹配現象。通過式（1）、式（2），可以算出輸出阻抗，如式（3）所示。

晶體管M1和M9被連接作為差分放大器，假如輸入電壓比Vlow低，此時M1和M9的偏置電流Ib2的大部分變成 M9的漏電流，Ib2被 M11－M12、M13－M14兩個電流鏡鏡像復制。M14的寬是M13的N倍。輸出值能夠在負極的過驅動（VDSAT14）范圍內擺動，此時輸出阻抗 R0（low）由式 1／gM7－α／gM5給出。相似的，晶體管M5和M10被連接作為差分放大器，假如輸入電壓比Vhigh高，此時M5和M10的偏置電流Ib1的大部分變成M10的漏電流，Ib1被 M15－M16、M17－M18兩個電流鏡鏡像復制。M18的寬是M17的N倍。輸出值能夠在正極的過驅動（VDSAT18）范圍內擺動，此時輸出阻抗R0（high）由式1／gM3－α／gM1給出［10］。

2.3 對改進后的電路圖完成仿真并記錄數據

直流（2.5V）傳輸特性，如圖3所示。

圖3 直流（2.5V）傳輸特性

給定Vdd＝2.5V，負載R＝600Ω，對電路電源電壓進行直流（DC）掃描分析，其掃描范圍為0～2.5V，從圖4可以看出，0.7～1.4V電壓跟隨效果線性度很高。直流（3.3V）傳輸特性如圖4所示。

圖4 直流（3.3V）傳輸特性

給定Vdd＝3.3V，負載R＝600Ω，對電路電源電壓進行直流（DC）掃描分析，其掃描范圍為0～3.3V。由圖4可以看出，0.7～1.7V電壓跟隨效果線性度很高，基本達到設計要求。經過與圖3對比得出，提高Vdd值可以增大輸入電壓跟隨范圍。改進后電壓跟隨器的頻率響應如圖5所示。

本文設計的CMOS軌到軌電壓跟隨器在驅動負載R＝600Ω的情況下，此電路在頻率1k～1G的范圍內，得出圖5所示的電壓增益輸出曲線。由圖5可知，改進后的電壓跟隨器增益為－0.4dB，截止頻率（－3dB）大約為500MHz。改進后的電路基本能滿足所要求的設計指標。M1、M3、M5、M7跨導如圖6所示。

圖5 改進后電壓跟隨器的頻率響應

圖6 M1、M3、M5、M7跨導

通過T－Spice網表的編輯，仿真出圖3～4波形，導出 M1、M3、M5、M7的（.out）輸出文件，然后粘貼至Excel表格中，編輯公式（2）～（3），最終得出輸出阻抗圖形如圖7所示。

圖7 輸出阻抗

由圖7可知，CMOS軌到軌電壓跟隨器在驅動負載R＝600Ω情況下，輸入電壓在0.8～1.7V跟隨范圍內，輸出阻抗小于20Ω，基本達到設計要求。

結果表明改進后的電壓跟隨器具有較低的輸出阻抗、較大的線性輸出電壓擺幅、較大的截止頻率。改進后的電壓跟隨器在負載R＝600Ω的情況下，提高Vdd值可以增大輸入電壓跟隨范圍（Vdd從2.5V提高到3.3V）。改進后的電路在頻率1kHz～1GHz的范圍內工作時，可以得到增益約為－0.4dB，截止頻率（－3dB）約為500MHz。當輸入電壓在0.7～1.7V范圍內變化時，輸出與輸入表現出較好的跟隨效果，最大輸出阻抗低于20Ω，以上設計指標已經滿足了最初的設計要求。寫出各MOS管寬長比的簡單計算過程，最后列出改進后電路的各個MOS管寬長比數值。

3 結束語

本文設計一種AB類高性能CMOS軌到軌電壓跟隨器。設計過程中，針對設計需求首先應用理論計算得到所有MOS管的寬長比值。通過研究傳統(tǒng)對稱式電壓跟隨器與改進后的電壓跟隨器，比較性能優(yōu)缺點，對電壓跟隨器有了更深刻的認識。介紹了電壓跟隨器的基礎知識，列舉了兩種電壓跟隨器的電路，并將傳統(tǒng)對稱式電壓跟隨器與改進后的電壓跟隨器進行了比較，分別分析了它們的具體結構，并簡單介紹了各MOS管組成的模塊功能，使改進后的電壓跟隨器的電路可以在電源電壓為2.5V或者3.3V條件下工作，電壓跟隨范圍擬定1～1.5V，能驅動600Ω的負載，截止頻率（－3dB）在200MHz以上，并且保證輸出阻抗小于30Ω。通過本文的理論研究和分析將為進一步的仿真及版圖設計打下理論基礎，深化對STN驅動芯片的研究和挖掘。AB類高性能CMOS軌到軌電壓跟隨器具有功率損耗低、輸出信號失真較低、電壓輸出范圍較大的特點，能夠使液晶顯示技術有明顯的提高，從而應用于手機、MP3、MP4、計算器等便攜式消費電子產品市場。

［1］ALLEN P.E.Douglas R.Holberg.CMOS模擬集成電路設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：8－9.

［2］蔣研飛.應用于緩沖放大器的設計與研究［D］.北京：北京大學，2006.

［3］華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006：327－329.

［4］ALLEN P.E.Douglas R.Holberg.CMOS模擬集成電路設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：8－9.

［5］蔣研飛.應用于緩沖放大器的設計與研究［D］.北京：北京大學，2006.

［6］華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006：327－329.

［7］馬場清太郎.運算放大器應用電路設計［M］.北京：科學出版社，2011：5－25.

［8］David A.Jones，and Ken Martin.模擬集成電路設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：105－106.

［9］Manetakis，K，and Toumazou，C，“A new high－frequency very low output－impedance CMOS buffer”［J］.IEEE International Symposium on Circuits and Systems.2006，21（1）：485－488.

［10］畢查德.拉扎維.模擬CMOS集成電路設計［M］.陳紹貴，程軍，張瑞智，等譯.西安：西安交通大學出版社，2002：243－254.