专利名称：一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种兼容低功耗、高速、高精度特性的线性跨导单级运放电路，属于模 拟集成运放技术领域，通过对负载电流镜非线性效应与线性传输比控制的兼容和集成，获 得高效电流利用效率以及功耗约束下电路速度与精度的协调统一，实现电路静态、动态特 性的全面提升。
背景技术：
SoC数模混合单芯片系统中，系统功能扩展与性能提高只有在低功耗的约束下才 具有更现实的意义。现有技术中，电路速度或动态性能的改善通常以大电流驱动即功耗增 加为代价，低功耗高速高精度相互制约的要求显著增加了线性运放电路设计和实现的难 度。因此，低功耗高速运放电路设计与实现，需要突破现有线性结构的局限。
对于传统的单级OTA线性运算跨导电路(见图1)，在低电源电压限制下，难以充 分利用Cascode结构的高阻输出特性实现高增益，通过降低输出电流提高阻抗和增益的方 法又难以满足动态电流调节与驱动下的高速响应要求；相反，当N值固定后，通过增大静态 电流Ib提高带宽，获得大摆率驱动下的高速响应，不但引起功耗的增加，同时导致增益的下 降。因此，对于传统OTA结构，只能在静态电流Ib、输入差分对管跨导因子、差分对负载电流 镜W/L比例因子N值三种参数之间进行优化选取，以平衡增益、带宽、摆率和功耗的需求，但 同时满足各方需求则极为困难。为解决电路中的固有矛盾，需通过非线性效应和参数可配 置控制突破原有线性电路结构的制约和局限。发明内容
本发明目的在于为了解决了常规运放电路中难以调和的电路系统速度、精度与功 耗间的固有矛盾，提供一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器。
本发明一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，由恒定电流偏置依次 串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八个N 型MOS管匪1至NM8构成，N型MOS管匪1的漏极分别接差分输入级的一个输出端和N型 MOS管匪3、NM6、匪7的栅极，N型MOS管匪1的漏极分别接差分输入级的另一个输出端和 N型MOS管NM4、NM5、NM8的栅极，N型MOS管NMl的源极分别接N型MOS管NM3、NM5的漏 极，N型MOS管NM2的源极分别接N型MOS管NM4、NM6的漏极，N型MOS管NM3、NM4、NM5、 NM6、匪7、NM8的源极分别连接接地，N型MOS管匪7漏极构成负载电流镜传输输出级的第 一输出端，N型MOS管NM8漏极构成负载电流镜传输输出级的第二输出端。
所述恒定电流偏置由P型MOS管PMO构成，P型MOS管PMO的漏极接电源Vdd，P 型MOS管PMO的源极接差分输入级。
所述差分输入级由两个P型MOS管PMl、PM2构成，P型MOS管PMl、PM2的漏极接 恒定电流偏置的输出端，P型MOS管PM1、PM2的源极接负载电流镜传输输出级的输入端。
本发明通过小信号下起正反馈作用的交叉耦合对管结构与宽动态范围内有效的负载电流镜线性-非线性模式自适应配置结构的兼容与相互作用，有效解决了常规运放电 路中难以调和的电路系统速度、精度与功耗间的固有矛盾。模式控制的关键是在静态条件 下将负载电流镜偏置在线性-非线性临界工作模式下，确保静态低功耗；同时在交流小信 号下，利用线性范围内交叉耦合对管对负载电流镜线性传输比的下降控制作用，实现高增 益(Av)倍增以确保高精度控制，带宽(p_3dB*GBW)倍增以确保小信号高速及线性处理性 能；在大信号下，虽然交叉耦合对管失效，但大的输入动态范围可自动将差分负载电流镜转 入深度非线性工作模式，即通过电流传输的非线性效应实现压摆率(SR)的倍增，以提高瞬 态响应速度。通过线性传输宽长比的配置以及非线性效应，能够彻底解决线性运放电路内 在固有局限约束，实现静态、交流小信号和动态大信号下电路性能的全面改善和提高。
本发明具有在同等静态低功耗下，电路交流小信号增益、带宽以及大信号电压摆 率的倍增。采用CSMCO. 18mm标准CMOS工艺，在静态电流为^mA和30pF负载电容的条件 下，低频增益为71. 3dB，单位增益带宽为6. 5MHz，大信号下的正向压摆率为+12. 5V/ms，反 向压摆率为-12.8V/ms。相比同等条件下的经典单级OTA结构，增益增加了 MdB，带宽提高 了 9倍，电压摆率增大20倍。
图1为传统运算跨导放大器OTA的原理电路图。
图2为普通线性比例电流镜和Cascode线性电流镜的电路图。
图3为线性/非线性自适应电流镜的电路图。
图4为非线性模式可配置OTA电路原理图。
图5为图4所示OTA的小信号波特图。
图6为图4所示OTA的大信号电压摆率。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明 本发明采用如下技术方案一种在低功耗约束下仍具有高精度高速响应的运算跨导放大电路(见图4)，其特征包 括运算跨导放大器属于OTA单级增益电路结构；电路系统由恒定电流偏置、差分输入级、负 载电流镜传输输出级三部分构成，其中PMOS差分对管采用固定尾电流偏置，两对对称的负 载电流镜分别采用由三个NMOS管构成的线性-非线性模式动态可配置结构，同时增加一对 交叉耦合对管对负载电流镜等效输入W/L调制控制的结构；电路输出级采用CMOS互补推挽 的对称驱动结构。
两种基于电路结构和工作模式的可配置控制利用其在特定模式下所具有的良好 互补性，相互配合以解决常规线性电路内在固有矛盾制约，全面提升电路的静态、交流和瞬 态性能；一种是利用交叉耦合对管交流条件下的正反馈控制，实现电流镜线性传递系数在 不同信号模式下的切换或配制，主要实现对电路交流小信号特性的改进；另一种是基于电 流镜线性-非线性模式的动态配置，在保持低功耗的条件下主要实现对电路瞬态大信号特 性的提升；差分输入级的结构和工作模式的设定差分输入级采用经典三管差分结构，可以是三4管PMOS差分对，也可以是与之镜像关系的NMOS差分对；差分对尾电流采用稳定的恒流偏 置，差分对两输入管采用W/L相同的对称设计，确保静态时两差分对管各流过一半的尾电 流，差分输出A、B两端电位相同，差分交流小信号驱动下两差分对管中的变化电流大小相 同、极性相反，同时差分输出A、B两端保持差分信号的性质；电流镜线性-非线性模式可配置的结构和工作模式的设定将四管宽摆幅Cascode电 流镜结构(见图2)中输出支路上的M4管去除(或短路)，即可得到这种模式可配置电流 镜结构(见图3)。具体的模式控制由电流镜输入电流I1、输入支路各MOS管尺寸W/L以及 Cascode偏置电压Vbn三种影响因素的相对关系决定。
在偏置电压Vbn和电流I1均固定的条件下，减小具有相同尺寸的Ml和M3两管的 W/L,将使电流镜由线性性质向非线性性质转化，相反，增加W/L将使电流镜由非线性性质 向线性性质转化；通过合适的W/L设计，能够将此电流镜根据需要设定在所需的线性或非 线性工作模式。差分对在静态条件下对差分负载输入驱动电流恒定且Vbn恒定，利用这一点 特性即W/L的调节来设置在静态条件下负载电流镜的模式。
在偏置电压Vbn和输入管器件尺寸W/L均固定的条件下，增加输入电流I1将使电 流镜由线性性质向非线性性质转化，相反，减小输入电流I1将使电流镜由非线性性质向线 性性质转化；因此，通过输入电流的变化，可以使电流镜实现不同传输性质之间的转化。差 分对在交流小信号小条件下对差分负载输入驱动电流有变化，但Vbn恒定，W/L经过静态模 式设定后不再变化，利用这一点特性即输入电流的变化实现在交流小信号条件下负载电流 镜模式的动态自适应调节；差分对负载模式可配置电流镜，在静态低功耗要求下，静态偏置在线性-非线性临界 工作点或略偏向非线性的工作模式，在差分小信号状态下差分负载一对电流镜将分别向线 性和非线性两个模式偏转，进入大信号输入状态后，其中一个负载电流镜通常能够转移入 非线性工作模式；交叉耦合对管结构对差分对负载电流镜输入管等效W/L的调节控制在静态模式下使 等效W/L增加，电流传输线性系数降低；在交流小信号模式下等效W/L减小，电流传输线性 系数增加；在瞬态大信号下等效W/L不变，电流传输线性系数与没有交叉耦合对管的结构 相同。
电路工作模式的设置在静态低功耗约束下，负载电流镜应偏置在线性-非线性 临界工作点模式，或略偏向非线性电流镜模式。该电路适合较高的电源电压和较小的运放 尾电流，产生的动态变化范围足够使大信号下负载电流镜进入深度非线性模式，并在高共 模电平输入下实现摆率最大提升。
图2和图3给出了线性、线性-非线性自适应两类电流镜结构的对比，M1与M2管 的W/L之比均为m:l。对于线性电流镜，电流传输关系为I2=I1Ai,即不论I1如何变化，只要 M2管维持饱和恒流区工作状态不变，I2与I1始终保持以上线性关系不变。如果在不同的信 号状态下能够实现对m值的控制或调节，即静态直流下使m增大以降低电流传输，交流小信 号下使m减小以增大电流传输，即线性传输比m值在不同状态下的动态配置，就能够解决传 统固定传输比的线性电流镜的缺陷，满足电路交直流特性的共同需求。
对于自适应模式可配置电流镜，静态条件下M1管在特定的输入电流I1及Vbn电压 偏置下，限定在饱和恒流区与线性电阻区的临界工作点，此时电流传输保持线性性质；动态条件下随着I1的增加,M3管V㈣随之增加，因Vim=Vbn-V㈣，则在固定Vbn偏置下Vdsi下降，强 制虬管进入线性电阻区，增加的电流以及线性工作区下的M1管将使其栅压显著提高，若M2 仍维持初始饱和恒流区状态，输出电流I2明显增加，即原来的线性电流传输转变为非线性 电流倍增传输。
将以上m值及模式可配置的电流镜代替模式和m值均固定的线性电流镜作为OTA 电路的差分负载，利用输入差分信号控制输入驱动电流I1，使其在静态或小信号条件下设 置在线性-非线性临界模式，通过线性或近似线性电流传输维持低功耗与高增益特性；进 入动态大信号动状态后，在增大的输入电流驱动下，自动转入深度非线性电流传输模式以 大幅提高输出电流，实现摆率以及瞬态响应速度的显著提高。在此基础上，进一步采用交叉 耦合对管对负载电流镜的有效W/L进行调节，获得不同信号模式下可配置的线性传输系数 m,实现交流特性的改善和提高。非线性与m值可配置两类控制机制的协调与配合，最终实 现电路综合性能的全面改善和提高。
图4给出的本发明电路原理图，包含两种特殊结构相互作用及其效应对电流传输 控制的影响，并由此带来运放电路性能的改善与提高，以下分七个方面进行详细分析和阐 述。
1、正反馈交叉耦合结构对线性电流传输系数的控制NM5、NM6两管构成的交叉耦合结构，仅在小信号线性范围内起正反馈调节作用，改变电 流传输的有效线性比值Neff。匪5与匪7以及NM6与NM8的宽长比之比均为K: 1。设Ib为 差分对管的固定尾电流偏置，静态下输入差分对两个支路电流均为^/2，且a、b两结点电压 相等，各负载MOS管中的静态电流与其W/L成正比。SNT=N+K，Ns=N-K,经典设计中综合各 方性能需求一般选择Nt=I，静态下Nrff=NT，输出支路电流为Ι。^βΛ2Ντ)，电路总静态电流达 Ifd+Nf1) Ib？ 2Ib。静态功耗的降低同时也有利于输出阻抗的提高和低频增益的增大。
交流小信号差分输入驱动下，差分负载a、b两点电位变为差分信号，在此差分信 号驱动下匪5与NM6交叉耦合对管满足交流小信号电流的互补驱动特性，使负载电流镜的 等效线性传输比减小为Nrff=Ns，传输电流增大。由于电路结构的线性性质，同时在小信号工 作条件下能够维持这种线性性质，则直流电流传输比与交流电流传输比相同，如下式
权利要求
1.一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，其特征在于由恒定电流偏置依 次串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八 个N型MOS管匪1至NM8构成，N型MOS管匪1的漏极分别接差分输入级的一个输出端和N 型MOS管匪3、NM6、匪7的栅极，N型MOS管匪1的漏极分别接差分输入级的另一个输出端 和N型MOS管匪4、匪5、匪8的栅极，N型MOS管匪1的源极分别接N型MOS管NM3、匪5的 漏极，N型MOS管匪2的源极分别接N型MOS管NM4、NM6的漏极，N型MOS管匪3、匪4、匪5、 NM6、匪7、NM8的源极分别连接接地，N型MOS管匪7漏极构成负载电流镜传输输出级的第 一输出端，N型MOS管NM8漏极构成负载电流镜传输输出级的第二输出端。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，其特征 在于所述恒定电流偏置由P型MOS管PMO构成，P型MOS管PMO的漏极接电源Vdd，P型MOS 管PMO的源极接差分输入级。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，其特征 在于所述差分输入级由两个P型MOS管PM1、PM2构成，P型MOS管PM1、PM2的漏极接恒定 电流偏置的输出端，P型MOS管PM1、PM2的源极接负载电流镜传输输出级的输入端。
全文摘要
本发明公布了一种低功耗宽带高增益高摆率单级运算跨导放大器，由恒定电流偏置依次串接差分输入级、负载电流镜传输输出级三部分构成，其中负载电流镜传输输出级由八个N型MOS管NM1至NM8构成。本发明彻底解决线性运放电路内在固有局限约束，实现静态、交流小信号和动态大信号下电路性能的全面改善和提高。
文档编号H03F3/45GK102045035SQ20101055719
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者吴金, 汤欣伟, 郑雷, 马科 申请人:东南大学