专利名称：基于mos器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于模拟集成电路设计领域，特别涉及一种基于MOS器件的宽带低功耗电 流回收斩波稳定放大器。
背景技术：
20世纪年代以来，随着亚微米、超深亚微米技术的发展和系统芯片技术的日益成 熟，采用电池供电的便携式电子产品获得了迅猛发展和快速普及。由于电池技术的发展远 远跟不上与电子系统的发展，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样产品都对电子 产品的供电电压提出了严格的限制。另一方面，随着器件尺寸不断的缩小，工艺的击穿电压 也在降低，亦对电源电压提出了严格的限制。电子器件性能要求越来越高，开发周期越来越 短，对开发与生产成本的制约也日趋严格，使低压模拟集成电路受到了极大的关注。运算放大器是模拟电路中最重要的电路单元，广泛应用于模拟电路和混合信号处 理电路中，如开关电容，模数、数模转换器等。但是由于晶体管的阈值电压并不随着特征尺 寸的减小而线性减小，所以在低电源电压环境下，运算放大器的各项新能指标会大大减小。 为了提高运放的性能，增大电路处理信号的带宽范围，就必须对传统的折叠共源共栅运放 进行改进设计，这就促成了各种新型的低功耗宽带放大器的产生与发展。同时在低压环境 下，运算放大器低频噪声的影响会增大。为了提高运放的噪声性能，增大信号的信噪比，就 必须对运放的结构进行改进设计，这就促成了斩波稳定放大器的产生与发展。近几年来，低功耗宽带斩波稳定运算放大器已大量涌现，各大公司也纷纷推出自 己相应的产品。其应用十分广泛，可用在DVD播放器、声卡、手机、系统、传感器等各种电路 当中。传统的折叠共源共栅斩波稳定放大器主要具有以下几个特点(1)低频Ι/f噪声被 很好的抑制。(2)具有较高的低频增益和较宽的带宽。(3)输出电压可以达到电源电压正 负两级。传统的斩波稳定折叠共源共栅放大器的电路结构如图1所示。输入信号先经过一 个混频器，然后进入放大器的输入级，输入级由两个PMOS管Pl、P2组成，其将正反两个方向 的电流同时折叠流经N3、N4到正负输出端，最后放大器的输出端再次经过一个混频器到输 出端。其中，NMOS管Ni、N2都起到电流源的作用。但是，传统的斩波稳定折叠共源共栅放 大器存在以下不足1.相比于其他类型的放大器，其静态功耗高。2.电流源N1、N2只是充当电流源，未被利用传输小信号电流，是一种“浪费”。3.在功耗要求严格的情况下，难以达到高带宽的性能。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于MOS器件的宽带低功 耗电流回收斩波稳定放大器，其特征在于，所述宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器包括 升频和降频两个混频器、分流输入级、放大回收电流的中间级和轨到轨输出级；
所述升频混频器置于放大器输入级之前，对输入信号的起升频作用，降频混频器 置于放大器输出级之后，对输入信号起降频作用；所述分流输入级由PMOS管Pla、Plb、P2a、 P2b组成；所述放大回收电流的中间级包括由NMOS管N7、N5和m组成的第一电流镜和由 NMOS管N8、N2和N6组成的第二电流镜；所述轨到轨输出级是由NMOS管N3、N4以及PMOS 管P5、P6组成。所述宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器正负输入信号先通过一个混频器进行 混频，把信号调制到载波频带范围内，然后正向输入信号通过输入管Pla将电压信号转换 成向下的电流信号，同时负向输入信号通过输入管P2b将电压信号转换成向上的回收电流 信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N7、N5、Nl组成的第一电流镜被放大K倍，与 Pla管向下的电流一起通过N3流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管Ph将电 压信号转换成向上的电流信号，同时正向输入信号通过输入管Plb将电压信号转换成向下 的回收电流信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N8、N2、N6组成的第二电流镜被放 大K倍，与Ph管向下的电流一起通过N4流向正向输出端；最后正负输出信号再次经过一 个混频器，将信号调制到基带附近。其中的各个MOS器件采用常规MOS晶体管，或采用高迁 移率的应变硅MOS器件，以进一步提高该电路的性能。所述输入级的四个PMOS管尺寸大小一致。所述由NMOS管N7、N5、m组成的第一电流镜与输入级的P2b管连接，所述由NMOS 管N8、N2、N6组成的第二电流镜与输入级的PIb管连接。所述正负输入信号先通过一个混频器进行混频再送到放大器的输入端，最后放大 器的正负输出信号再次经过一个混频器进行降频再送到输出端。本发明的有益效果是这种新型的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器与传统设 计方案相比具有以下几个明显的优点在不增加功耗的情况下提高两倍以上带宽的能力； 降低低频1/f噪声；增加低频增益；同时还可以在保持同样的带宽、噪声等性能下降低一半 功耗等诸多优点。
图1为传统折叠共源共栅斩波稳定放大器的电路结构图。图2为本发明的新型的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器的电路结构图。图3为本发明的新型的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器与传统的折叠共源 共栅斩波稳定放大器的频响仿真对比图。
具体实施例方式本发明提出的基于MOS器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器，其一种具体 实施方式采用CMOS工艺实现。在图2中，所述宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器包括升 频和降频两个混频器、分流输入级、放大回收电流的中间级和轨到轨输出级；所述升频混频器置于放大器输入级之前，对输入信号的起升频作用，降频混频器 置于放大器输出级之后，对输入信号起降频作用；所述分流输入级由PMOS管Pla、Plb、P2a、 P2b组成，该四个PMOS管尺寸大小一致；所述放大回收电流的中间级包括由NMOS管N7、N5 和附组成的第一电流镜，并与输入级的P2b管连接，和由匪OS管N8、N2和N6组成的第二电流镜，并与输入级的PMOS管Plb管连接；所述轨到轨输出级是由NMOS管N3和N4以及 PMOS管P5和P6组成。该宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器的各MOS管具有如下连接结 构正负输入信号与第一个混频器相连接，第一个混频器的正向输出与Pla和Plb的 栅极相连，第一个混频器的负向输出与Ph和P2b的栅极相连，Pla的漏极与m的漏极、N3 的源极相连，Plb的漏极与N6、N2的栅极相连，P2b的漏极与N2、N5的栅极相连，P2a的漏 极与N2的漏极、N4的源极相连，P5的漏极与N3的漏极相连，然后与第二个混频的正向输入 相连，P6的漏极与N4的漏极相连，然后与第二个混频器的负向输入相连。所述宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器工作原理是所述正负输入信号先通过 一个混频器进行混频再送到放大器的输入端，最后放大器的正负输出信号再次经过一个混 频器进行降频再送到输出端。具体过程是正负输入信号先通过一个混频器进行混频，把信 号调制到载波频带范围内，然后正向输入信号通过输入管Pla将电压信号转换成向下的电 流信号，同时负向输入信号通过输入管P2b将电压信号转换成向上的回收电流信号，该回 收电流通过交叉连接的由NMOS管N7、N5、Nl组成的第一电流镜被放大K倍，与Pla管向下 的电流一起通过N3流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管Ph将电压信号转换 成向上的电流信号，同时正向输入信号通过输入管Plb将电压信号转换成向下的回收电流 信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N8、N2、N6组成的第二电流镜被放大K倍，与 Ph管向下的电流一起通过N4流向正向输出端；最后正负输出信号再次经过一个混频器， 将信号调制到基带附近。由此可得，输入等效跨导被放大了 K+1倍。本发明中，K的值被取 为3，因此放大器的带宽被放大到原来的两倍。上述各个MOS器件采用常规MOS晶体管，或采用高迁移率的应变硅MOS器件，以进 一步提高该电路的性能。图3为本发明的新型的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器与传统折叠共源共 栅斩波稳定放大器的频响仿真结果对比图。从图中可以看出，本发明的宽带低功耗电流回 收斩波稳定放大器的带宽相比于传统折叠共源共栅斩波稳定放大器提高了两倍以上。同 时，低频增益仍然略有提高。
权利要求
1.一种基于MOS器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器，其特征在于，所述宽带 低功耗电流回收斩波稳定放大器包括升频和降频两个混频器、分流输入级、放大回收电流 的中间级和轨到轨输出级；所述升频混频器置于放大器输入级之前，对输入信号的起升频作用，降频混频器置于 放大器输出级之后，对输入信号起降频作用；所述分流输入级由PMOS管Pla、Plb、Ph、P2b 组成；所述放大回收电流的中间级包括由NMOS管N7、N5和m组成的第一电流镜和由NMOS 管N8、N2和N6组成的第二电流镜；所述轨到轨输出级是由NMOS管N3、N4以及PMOS管P5、 P6组成。所述宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器正负输入信号先通过一个混频器进行混频， 把信号调制到载波频带范围内，然后正向输入信号通过输入管Pla将电压信号转换成向下 的电流信号，同时负向输入信号通过输入管P2b将电压信号转换成向上的回收电流信号， 该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N7、N5、m组成的第一电流镜被放大K倍，与Pla管 向下的电流一起通过N3流向负向输出端；同时，负向输入信号通过输入管Ph将电压信号 转换成向上的电流信号，同时正向输入信号通过输入管Plb将电压信号转换成向下的回收 电流信号，该回收电流通过交叉连接的由NMOS管N8、N2、N6组成的第二电流镜被放大K倍， 与Ph管向下的电流一起通过N4流向正向输出端；最后正负输出信号再次经过一个混频 器，将信号调制到基带附近。其中的各个MOS器件采用常规MOS晶体管，或采用高迁移率的 应变硅MOS器件，以进一步提高该电路的性能。
2.根据权利要求1所述基于MOS器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器，其特征 在于，所述输入级的四个PMOS管尺寸大小一致。
3.根据权利要求1所述基于MOS器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器，其特征 在于，所述由NMOS管N7、N5、m组成的第一电流镜与输入级的P2b管连接，所述由NMOS管 N8、N2、N6组成的第二电流镜与输入级的Plb管连接。
4.根据权利要求1所述基于MOS器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器，其特征 在于，所述正负输入信号先通过一个混频器进行混频再送到放大器的输入端，最后放大器 的正负输出信号再次经过一个混频器进行降频再送到输出端。
全文摘要
本发明公开了属于模拟集成电路设计领域的一种基于MOS器件的宽带低功耗电流回收斩波稳定放大器。包括升频混频器置于放大器输入级之前，降频混频器置于放大器输出级之后，实现对输入信号的和降频功能；分流输入级由四个PMOS管组成，将输入电压信号转换成电流信号，并形成反向回收电流；放大回收电流的中间级是由两个低压电流镜组成，实现对回收电流的放大作用以及轨到轨输出级，则是实现信号的轨到轨输出；本发明具有在不增加功耗的情况下提高两倍以上带宽的能力；降低低频1/f噪声；增加低频增益；同时还可以在保持同样的带宽、噪声等性能下降低一半功耗，进一步提高该电路的性能。
文档编号H03F1/26GK102142816SQ201110061079
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者方华军, 梁仁荣, 王敬, 许军, 赵晓 申请人:清华大学