专利名称：一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于运算放大器技术领域，尤其涉及一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器。
背景技术：
运算跨导放大器(OTA)是模拟电路领域的重要组成模块，尤其广泛应用于开关电容电路中。在开关电容电路中，OTA可与开关和电容一起组成积分器、乘2电路和采样保持电路等功能模块，进而实现信号采样，模数变换等电路操作。在开关电容电路中，衡量OTA的重要指标是其建立时间(settling time),即开关切换后电路达到一定的建立精度所需要的时间。建立时间体现了 OTA所能达到的工作速度。对于一次建立过程，通常分为两个阶段非线性阶段和线性阶段。在非线性建立阶段，加在OTA差分输入端的信号幅度很大，在输出端有较大的电流给电容充放电，而该电流值与输入信号幅度之间的关系不再满足线性。衡量该过程的指标为摆率(Slew rate)，即单位时间内输出电压的上升值。在特定的负载电容和输入幅度下，OTA能提供的输出电流越大则摆率越大，建立时间越短。在线性建立阶段，OTA的差分输入较小，输出电流与输入电压近似呈线性关系。此过程中衡量OTA速度的指标为增益带宽积(GBW)。另外，随着工艺尺寸的缩小，芯片工作电压越来越低，低电压工作成为另一个要求。图I所示为传统的Class-A 0ΤΑ,该OTA的主要问题是功耗效率较低。其最大输出电流受静态电流源限制。因此，为了提高摆率，就需要增大静态电流。然而，在输入信号较小时，该静态电流没有输出到负载，造成了功耗的浪费。
发明内容
针对上述背景技术中提到传统的Class-A OTA存在功耗效率低、最大输出电流受静态电流源限制等不足，本发明提出了一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器本发明的技术方案是，一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器，其特征是该运算跨导放大器包括两个相同的缓冲器和一个电阻；所述两个相同的缓冲器镜像摆放，所述电阻位于所述两个相同的缓冲器中间，所述电阻和所述两个相同的缓冲器的输出端连接；所述缓冲器包括第一子缓冲器和第二子缓冲器；第一子缓冲器包括第一电流源、第一晶体管和第二晶体管；第二子缓冲器包括第三晶体管和第二电流源；所述第一电流源的输出端分别与第一晶体管的漏极和第二晶体管栅极连接；第一晶体管的源极分别与第二晶体管的漏极和第三晶体管的源极连接；第二晶体管的源极接地；第三晶体管的源极和第二电流源的输入端连接；第二电流源的输出端接地；第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极连接作为所述缓冲器的输入级；第一晶体管的源极和第三晶体管的源极连接作为所述缓冲器的输出级。所述第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管为工作在饱和区的MOS晶体管。
所述第一电流源或第二电流源为恒流源。本发明的优点主要为I.可在消耗较小的静态工作电流时提供较大的输出电流，功耗效率更高；2.可增强放大器的直流增益，增益带宽积等小信号特性；3.适合于低电压工作。最大输出电流不受静态电流限制,可以随着输入信号的增大而不断增大,可以在消耗较小的静态电流下获得较大的摆率，从而提高建立速度。
图I 为传统的 Class-A OTA ；图2为本发明提出的结构图；图2a为基于的原理图；图2b为具体的缓冲器电路；图3为本发明提出的Class-AB OTA的一种实现方式。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。针对上述背景技术中提到的Class-A OTA存在的问题，本发明提出了一种Class-AB 0ΤΑ。本发明包括两个相同的缓冲器和一个电阻；两个相同的缓冲器镜像摆放，电阻位于所述两个相同的缓冲器中间，电阻和两个相同的缓冲器的输出端连接；缓冲器包括第一子缓冲器和第二子缓冲器；第一子缓冲器包括第一电流源、第一晶体管和第二晶体管；第二子缓冲器包括第三晶体管和第二电流源；第一电流源的输出端分别与第一晶体管的漏极和第二晶体管栅极连接；第一晶体管的源极分别与第二晶体管的漏极和第三晶体管的源极连接；第二晶体管的源极接地；第三晶体管的源极和第二电流源的输入端连接，第三晶体管的漏极与电源电压连接，在具体应用时也可连接低阻抗节点；第二电流源的输出端接地；第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极连接，作为缓冲器的输入级；第一晶体管的源极和第三晶体管的源极连接，作为缓冲器的输出级；第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管为工作在饱和区的NMOS晶体管。第一电流源或第二电流源为恒流源。第一电流源、第一晶体管和第二晶体管组成第一子缓冲器，该缓冲器可以接受从输出端(输出端是指缓冲器的输出端，及第一晶体管和第三晶体管的源极)灌入的电流，且电流大小不受第二恒流源的限制；第三晶体管和第二电流源组成第二子缓冲器，该缓冲器可以向输出端输出电流，且电流大小不受第一恒流源限制。第一子缓冲器和第二子缓冲器的并联连接构成本发明的缓冲器一混合源跟随器CSF(Compound SourceFollower)。本发明提出的Class-AB OTA的原理基于图2 Ca),由两个本发明的缓冲器结合一个电阻组成。流过电阻的电流为I = (V+-V_)/(2rout+R)其中I为流过电阻的电流；V+为差分输入电压的正端；
V_为差分输入电压的负端；R为电阻的阻值；rout为电压缓冲器的内阻。此电流能够随着输入差分幅度的增大而持续增大。将该电流镜像到输出端作为OTA的输出电流，就可以得到具有Class-AB特性的0ΤΑ。基于此结构的设计关键在于本发明的缓冲器的实现。为了实现Class-AB特性，要求本发明的缓冲器具有低输出电阻，低静态偏置电流以及较大的输出电流驱动能力。本发明的缓冲器的结构见图2(b)。该结构由一个第一子缓冲器(即电压缓冲器，由第一晶体管Ml、第二晶体管M2和第一电流源Ibl组成)和第二子缓冲器(即源极跟随器，由第三晶体管M3和第二电流源Ib2组成)并联组成。源极跟随器(本文称之为SFA)具有不受限制的向外输出电流的能力，但是其向内灌入电流的能力受第二电流源Ib2的限制，即最大灌入电流为Ib2。因此，单用SFA不能满足Class-AB OTA 的要求。而第一晶体管Ml、第二晶体管M2和第一电流源Ibl构成的电压缓冲器结构(本文称之为SFB)采用了电压负反馈，因此在Vout点具有较低的输出电阻。另外，SFB还具有不受限制的向内灌入电流的能力。但是，其向外输出电流能力受第一电流源Ibl的限制。因此，单独使用SFB同样不能满足要求。因此本发明将这两者并联使用，从而获得了不受限制的电流输出和灌入能力，满足Class-AB OTA的要求。将该缓冲器以图2 (a)的方式连接就可以实现Class-AB OTA结构。下面结合图3，介绍一种本发明提出的Class-AB OTA的具体实现电路。图3给出了基于本发明的一种实现电路。图中的晶体管Mla-M4a构成了一个CSF电压缓冲器，晶体管Mlb-M4b构成了另一个CSF单元。这两个CSF单元与图2 (b)所示结构相比省去了第二电流源Ib2，将其与晶体管M2合并。两个CSF缓冲器中间由电阻R连接，流过R的电流通过电流镜镜像到输出端。在NMOS —侧，由晶体管M9a、M9b、M2a和M2b构成电流镜，将电流镜像到输出端Vout+(Vout-)。在PMOS —侧，并没有使用传统的二极管接法的电流镜，而是同样采用了 SFB结构作为电流镜。图中晶体管M5a-M7a和晶体管M5b_M7b分别构成了 SFB单兀。流过晶体管M3a和晶体管M3b的电流分别流入晶体管M5a和晶体管M5b,并通过晶体管M8a和晶体管M8b镜像到输出端。采用SFB结构构成电流镜相对于传统的二极管接法电流镜具有以下两个优点。首先，SFB结构相对于二极管结构具有更低的输出阻抗。二极管的输出阻抗约为l/gm，gm为晶体管的跨导。而SFB结构在Z点的输出阻抗缩小了约gm5ro7倍，其中gm5为晶体管M5a或M5b的跨导，1"。7为晶体管M7a或M7b的输出阻抗。这使得输出电流增大时Z点的下降较小，从而减小对晶体管M3a (b)的电流的限制。第二，SFB结构比二极管接法消耗的电压裕度更小。在图3中，Z点电压只需比VDD低VDS，SAT5 (晶体管M5a或M5b的过驱动电压)就可以保证电路正常工作。而二极管接法需要Vth+Vdsat才能正常工作。因此，基于SFB结构的电流镜更适合低电压工作。对于该0ΤΑ，正常工作所需的最低电源电压约为Ves2+VDS，SAT4。Vgs2为晶体管M2a或晶体管M2b的栅源电压，VDS；SAT4为晶体管M4a或晶体管M4b的过驱动电压。整个电路的静态工作电流由电流源M4a和电流源M4b设置(相当于图Ib中的第一电流源Ibl)。另外，晶体管M7a和晶体管M7b分别作为共模反馈电路的反馈信号输入。假设Vin+大于Vin-，差分输入向正方向增大(反方向增大时情况与之完全对称)。当输入幅度较小时，由于SFB单元的输出电阻更小，故流过电阻R的电流主要由SFB单元提供。因此，晶体管M2a的电流减小，晶体管M4a的一部分电流流过R，最终通过晶体管M2b流入地。随着输入幅度的增大，流过R的电流逐渐增大，而流过晶体管M2a的电流逐渐减小。当输入幅度增大到某一特定值时，晶体管M4a的电流全部流过R，晶体管M2a关断。此时如果输入幅度继续增大，则继续增加的流过R的电流由晶体管M3a提供。此时，输出电流与输入电压之间逐渐呈现出二次曲线的关系。总之，输出电流不受静态电流限制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器，其特征是该运算跨导放大器包括两个相同的缓冲器和一个电阻； 所述两个相同的缓冲器镜像摆放，所述电阻位于所述两个相同的缓冲器中间，所述电阻和所述两个相同的缓冲器的输出端连接； 所述缓冲器包括第一子缓冲器和第二子缓冲器；第一子缓冲器包括第一电流源、第一晶体管和第二晶体管；第二子缓冲器包括第三晶体管和第二电流源； 所述第一电流源的输出端分别与第一晶体管的漏极和第二晶体管栅极连接；第一晶体管的源极分别与第二晶体管的漏极和第三晶体管的源极连接；第二晶体管的源极接地；第三晶体管的源极和第二电流源的输入端连接；第二电流源的输出端接地；第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极连接作为所述缓冲器的输入级；第一晶体管的源极和第三晶体管的源极连接作为所述缓冲器的输出级。
2.根据权利要求I所述的一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器，其特征是所述第一晶体管、第二晶体管或第三晶体管为工作在饱和区的MOS晶体管。
3.根据权利要求I所述的一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器，其特征是所述第一电流源或第二电流源为恒流源。
全文摘要
本发明公开了运算放大器技术领域中的一种低电压低功耗Class-AB运算跨导放大器。本发明包括两个相同的缓冲器和一个电阻；两个相同的缓冲器镜像摆放，电阻位于两个相同的缓冲器中间，并和两个相同的缓冲器的输出端连接。本发明最大输出电流不受静态电流限制，可以随着输入信号的增大而不断增大，可以在消耗较小的静态电流下获得较大的摆率，从而提高建立速度。
文档编号H03F3/45GK102780462SQ201210241659
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者伍冬, 沈延钊, 许军, 陈宏雷 申请人:清华大学