一种运算放大器的输入级的制作方法
【专利摘要】本发明涉及模拟集成电路技术，具体的说是涉及一种摆率增强的运算放大器的输入级。本发明的一种运算放大器的输入级，其特征在于，包括第一PMOS管M1L、第二PMOS管M2L、第三PMOS管M3L、第四PMOS管M1R、第五PMOS管M2R、第六PMOS管M3R、第一NMOS管M4L、第二NMOS管M5L、第三NMOS管M4R、第四NMOS管M4R、第一偏置电流源Ibias1和第二偏置电流源Ibias2。本发明的有益效果为，结构简单，静态功耗小，大信号瞬态电流较大，可在相同静态电流下得到较高的摆率，并能很好地解决运算放大器中功耗与电路动态特性之间的矛盾。本发明尤其适用于运算放大器的输入级。
【专利说明】一种运算放大器的输入级
【技术领域】
[0001]本发明涉及模拟集成电路技术，具体的说是涉及一种摆率增强的运算放大器的输入级。
【背景技术】
[0002]集成运算放大器是最常用的模拟电路元器件，随着手持和移动电子设备的迅速发展，功耗问题和性能优化之间的权衡在电路设计中变得至关重要。电路设计者不仅要考虑电路要具有超低静态电流特性，还应当提供良好的动态性能，这些要求常常相互矛盾，为IC设计人员带来切实的挑战。
[0003]CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)器件无论在面积、速度、功耗，以及制造成本上都比另外一种主流的半导体器件BJT (Bipolar Junction Transistor,双极型晶体管)要有优势，在集成电路领域使用范围最为广泛。但是，相较于BJT中器件驱动电压和输出电流的指数型关系，MOS晶体管的驱动电压与漏源电流之间平方率的关系，使得MOS工艺电路不容易得到很好的大信号动态特性。这就驱动了 MOS工艺电路如何提高电流效率的研究，要求尽可能在保证摆率的同时，电路有尽可能小的静态功耗。传统电路结构下摆率(SR)的提升和建立时间的降低是以增加偏置电流为代价的。因此，需在转换速率和功耗之间进行折中，很难同时满足低功耗和大摆率。
[0004]常规差分运算放大器(如图1所示)的摆率由尾电流限制，为了满足低功耗特性，难以得到很大的摆率；而源级输入的运放(如图2所示)，其IV特性满足平方律关系，可以突破尾电流对摆率的限制，但是传统源级输入运算放大器的摆率与采用BJT工艺的运算放大器相比，IV特性依然有很大差距。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的，就是针对上述传统运算放大器输入级存在的问题，提出一种摆率增强的运算放大器的输入级。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种运算放大器的输入级，其特征在于，包括第一 PMOS管MIL、第二 PMOS管M2L、第三PMOS管M3L、第四PMOS管M1R、第五PMOS 管 M2R、第六 PMOS 管 M3R、第一 NMOS 管 M4L、第二 NMOS 管 M5L、第三 NMOS 管 M4R、第四NMOS管M4R、第一偏置电流源Ibiasl和第二偏置电流源Ibias2 ;其中，
[0007]第二 PMOS管M2L的源极、第三PMOS管M3L的源极和第四PMOS管MlR的源极连接运算放大器的正向输入端，第一 PMOS管MlL的源极、第五PMOS管M2R的源极和第六PMOS管M3R的源极连接运算放大器的反向输入端；
[0008]第一 PMOS管MlL的栅极和漏极、第二 PMOS管M2L的栅极、第三PMOS管M3L的栅极和第一 NMOS管M4L的漏极以及第一偏置电流源Ibiasl正极连接，第四PMOS管MlR的栅极和漏极、第五PMOS管M2R的栅极、第六PMOS管M3R的栅极和第四NMOS管M4R的漏极以及第二偏置电流源Ibias2的正极连接；[0009]第三PMOS管M3L的漏极为正输出端，第六PMOS管M3R的漏极为负输出端；
[0010]第一 NMOS管M4L的源极、第二 NMOS管M5L的源极、第三NMOS管M4R的源极、第四NMOS管M4R的源极、第一偏置电流源Ibiasl的负极和第二偏置电流源Ibias2的负极均接地。
[0011]本发明总的技术方案，为保证在低静态电流情况下得到较大的摆率，采用了自适应偏置(Adaptive Biasing)结构，以克服转换速率和功耗之间的矛盾。本发明采用差分输入，两个输入端分别连接在两个有公共栅极的PMOS管的源极，一对与输入管共栅的PMOS管第三PMOS管M3L和第六PMOS管M3R作为电流输出元件，由第一 NMOS管M4L和第二 NMOS管M5L、第三NMOS管M4R和第四NMOS管M4R分别组成电流镜结构连接在对称的输入级，构成本地正反馈，再通过第一偏置电流源Ibiasl和第二偏置电流源Ibias2连接在对称的输入管上，为该部分输入级提供静态偏置，从而实现在相同的偏置电流的情况下，该自偏置输入级可以获得更好的动态特性。
[0012]本发明的有益效果为，结构简单，静态功耗小，大信号瞬态电流较大，可在相同静态电流下得到较高的摆率，并能很好地解决运算放大器中功耗与电路动态特性之间的矛盾。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是传统尾电流偏置差分输入级的结构示意图；
[0014]图2是传统源端输入差分输入级的结构示意图；
[0015]图3是本发明的运算放大器的输入级的结构示意图；
[0016]图4是本发明与传统电路输出电流特性的对比图；
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图，详细描述本发明的技术方案:
[0018]图1为传统尾电流偏置差分输入级的电路结构，电路的输出电流受到了尾电流的限制；与图1相较，图2所示的传统源端输入差分输入级，输出电流与差分输入电压之间满足平方律关系，输出特性有所提高，但是跟采用BJT工艺的运算放大器相比，输出特性依然不够理想。
[0019]如图3所示，为本发明的运算放大器的输入级，包括第一 PMOS管MIL、第二 PMOS管M2L、第三PMOS管M3L、第四PMOS管M1R、第五PMOS管M2R、第六PMOS管M3R、第一 NMOS管M4L、第二 NMOS管M5L、第三NMOS管M4R、第四NMOS管M4R、第一偏置电流源Ibiasl和第二偏置电流源Ibias2 ;其中，
[0020]第二 PMOS管M2L的源极、第三PMOS管M3L的源极和第四PMOS管MlR的源极连接运算放大器的正向输入端，第一 PMOS管MlL的源极、第五PMOS管M2R的源极和第六PMOS管M3R的源极连接运算放大器的反向输入端；
[0021]第一 PMOS管MlL的栅极和漏极、第二 PMOS管M2L的栅极、第三PMOS管M3L的栅极和第一 NMOS管M4L的漏极以及第一偏置电流源Ibiasl正极连接，第四PMOS管MlR的栅极和漏极、第五PMOS管M2R的栅极、第六PMOS管M3R的栅极和第四NMOS管M4R的漏极以及第二偏置电流源Ibias2的正极连接；[0022]第三PMOS管M3L的漏极为正输出端，第六PMOS管M3R的漏极为负输出端；
[0023]第一 NMOS管M4L的源极、第二 NMOS管M5L的源极、第三NMOS管M4R的源极、第四NMOS管M4R的源极、第一偏置电流源Ibiasl的负极和第二偏置电流源Ibias2的负极均接地。
[0024]本发明的电路分成对称的两部分，对于左半部分，输入PMOS管MIL、M2L以及输出PMOS管M3L栅极连接在一起，两个输入信号分别从M1L、M2L的源级输入，其中输入管M2L的漏级连接在M5L的漏极，M5L 二极管形式连接，并且M5L与M4L构成K:1的电流镜结构，该电流镜的M4L管连接在输入管MlL的栅极；M1L 二极管形式连接，MlL的漏级连接在固定电流值的电流源上，电流源为该输入管提供偏置；M3L作为输出管，其与M2L源端和漏端均分另Ij相连，因此这两个管并联，两个管的漏源电流的比值等于两个器件宽长比值；电路的下半部分结构与上半部分结构对称。
[0025]本发明的工作原理为:
[0026]某个时刻第三PMOS管M3L的源端电压下降，第六PMOS管M3R的源端电压不变，此时，电路对称结构的一部分决定输入级的输出电流能力，由于输入管MlR的偏置电流固定，则该输入管MlR的栅上的电压跟随第三PMOS管M3L源上的电压下降，更进一步的，根据管电压与电流的平方率关系知，该处栅压的下降将会使得另一个输入管(第五PMOS管M2R)的漏源电流增大，该电流值会通过的电流镜反馈到第一输入PMOS管，形成正反馈结构，进一步拉低两输入管的栅极电压，使第五PMOS管的栅源电压的绝对值更大，输出PMOS管的栅源电压等于第五PMOS管M2R的栅源电压，根据管电压与电流平方率的关系知，大的输出动态电压可以获得大的输出电流；如果第三PMOS管M3L电压上升，第六PMOS管M3R电压不变，此时，电路对称结构的另一部分决定自偏置输入级的输出电流能力，由于第一 PMOS管MlL的偏置电流固定而使公共栅极电压保持不变，此时第二 PMOS管M2L栅源电压绝对值增大，较大的漏源电流通过的电流镜反馈到第一 PMOS管M1L，第一 PMOS管MlL的电流增大，使第二输入PMOS管的栅极电压减小，进一步增大第二输入PMOS管以及输出PMOS管的栅源电压的绝对值，获得与第一输入PMOS管的源端电压下降，第二输入PMOS管的源端电压不变情况相同的动态输出电流效果。
[0027]具体为:
[0028]如图3所示，将电路分为左半路300和右半路301，若输入电压Λ Vin为负时，此时左半路300部分的输出电流决定自偏置输入级的驱动负载的能力，由于MlL由恒流源Ibiasl提供偏置，所以栅源电压保持不变，因此MlL的栅极电压跟随源极电压下降，因此，M2L过驱动电压增大，根据PMOS管电压与电流平方率的关系得到，流过M2L的电流I2L增大，M5L和M4L组成的电流镜，使得有大小为Ι2?/Κ的电流流过M4L。M4L电流的增大，进一步拉低了 MlL的栅极电压，所以M3L可以获得很大的动态电流。
[0029]若输入电压AVin为正时，此时右半路301部分的输出电流决定自偏置输入级的驱动负载的能力，由于MlR由恒流源提供偏置，所以MlR的栅源电压保持不变，因此M2R的过驱动电压增大，使流过M2R的电流I2R增大。M5R和M4R组成的电流镜，使得有大小为I2H/K的电流流过M4R，流过MlR的电流因此而增大，所以MlR的栅极电压下降，进一步增大了 M2R的过驱动电压， M3R的漏端电势增大源端电势降低，所以M3R可以获得很大的大信号动态电流。[0030]对自偏置输入级进行大信号分析:
[0031]若该自偏置输入级去掉M4L与M5L构成的反馈结构，当Λ Vin为负时，可以得到二者源栅电压差值满足如下的等式:
[0032]
【权利要求】
1.一种运算放大器的输入级，其特征在于，包括第一 PMOS管MIL、第二 PMOS管M2L、第三PMOS管M3L、第四PMOS管M1R、第五PMOS管M2R、第六PMOS管M3R、第一 NMOS管M4L、第二 NMOS管M5L、第三NMOS管M4R、第四NMOS管M4R、第一偏置电流源Ibiasl和第二偏置电流源Ibias2 ;其中， 第二 PMOS管M2L的源极、第三PMOS管M3L的源极和第四PMOS管MlR的源极连接运算放大器的正向输入端，第一 PMOS管MlL的源极、第五PMOS管M2R的源极和第六PMOS管M3R的源极连接运算放大器的反向输入端； 第一 PMOS管MlL的栅极和漏极、第二 PMOS管M2L的栅极、第三PMOS管M3L的栅极和第一 NMOS管M4L的漏极以及第一偏置电流源Ibiasl正极连接，第四PMOS管MlR的栅极和漏极、第五PMOS管M2R的栅极、第六PMOS管M3R的栅极和第四NMOS管M4R的漏极以及第二偏置电流源Ibias2的正极连接； 第三PMOS管M3L的漏极为正输出端，第六PMOS管M3R的漏极为负输出端； 第一 NMOS管M4L的源极、第二 NMOS管M5L的源极、第三NMOS管M4R的源极、第四NMOS管M4R的源极、第一偏置电流源Ibiasl的负极和第二偏置电流源Ibias2的负极均接地。
【文档编号】H03F3/45GK103647519SQ201310692475
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】甄少伟, 张飞翔, 万霄鹏, 王骥, 杨东杰, 罗萍, 张波 申请人:电子科技大学