一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器，该运放电路采用输入级电流抽取结构，利用有源电流镜部分地抽取负载管中的电流，以降低其有效电阻；同时在主运放两侧并联摆率增强电路，用来增强输出信号的摆率，且输出级应用Class-AB输出结构。本发明先在运算放大器的输入端负载管上并联电流镜，通过调节电流镜的宽长比，达到降低跨导的效果，这样整体电路在功耗降低的条件下保持了增益带宽积满足整体调制器要求的水平；其次本发明在运算放大器上并联前馈结构，在运放处于工作状态时为负载注入补偿电流以增大使出信号的摆率，且不会消耗过多的瞬态功耗。
【专利说明】一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器
【技术领域】
[0001]本发明属于模拟集成电路【技术领域】，具体涉及一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器。
【背景技术】
[0002]现在各式各样便携式电子设备正走向千家万户和各个工业应用领域。数据转换器作为模拟信号和数字信号之间的接口，需求量越来越大。Λ-Σ调制器可以实现独有的高精度，应用非常广泛。在Λ-Σ调制器中，积分器中运放的设计至关重要，尤其是前级的运放，其产生的噪声对调制器输出总噪声的贡献最大。
[0003]运放应用在Λ-Σ调制器中，作为第一级积分器工作。积分器中运放的有限DC增益引起静态误差，有限GBW(增益带宽积)和SR(压摆率)引起动态误差，这些误差均是指积分器时域响应稳定后的值与理想值之间的偏差，可以积分成噪声，这些噪声都产生于积分器的输出端。
[0004]从图1可以看出，第一级积分器的静态动态噪声到调制器输出端的噪声传递函数最接近于直通1，越到后级，静态动态噪声被整形得越厉害。因此，也是第一级积分器的噪声对调制器输出性能影响最大，相应的设计参数也会最为苛刻。从一些积分器非理想因素理论计算结果可以分析得出，第一级积分器中的运放摆率和增益带宽积指标要求很高，这也是较高电压较快时钟频率的调制器设计上的主要挑战。
[0005]目前常用的运算放大器有两类:单级运算放大器(如图2所示)和两级米勒补偿运算放大器(如图3所示)。单级运算放大器结构最为简单，但是要实现高增益和高摆率必须有很大的尾电流，低功耗的情况下不能提供高增益和高摆率，因此很少有人用。两级米勒补偿的运算放大器较为常用，设计较简单，且增益很高，相位裕度也充分，然而其稳定性要求较大的尾电流以及输出级电流，这将增大功耗；一旦要求很高的输出摆率，那么需要的电流只会更大。在这一点上不符合Λ-Σ调制器的要求。
【发明内容】
[0006]针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器，通过电流抽取技术，提高了增益带宽积，同时降低了功耗，并利用摆率增强电路来增大摆率，使得Λ-Σ调制器性能大步提升，有效降低了系统功耗。
[0007]—种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器，包括:
[0008]主运算放大单元；
[0009]摆率增强单元，用于提高主运算放大器输出差分信号的摆率；
[0010]共模反馈单元，用于对所述的输出差分信号进行平均放大，以向主运算放大器提供两路共模电压反馈信号cmfbl?cmfb2 ；
[0011]所述的主运算放大器根据两路共模电压反馈信号cmfbl?cmfb2，应用电流抽取技术在低功耗的环境下对输入差分信号进行增益放大，得到所述的输出差分信号。
[0012]所述的主运算放大单元包括二十一个MOS管Ml~M21、四个电阻Rl~R4和两个电容Cl~C2 ;其中，MOS管M18的源极与MOS管M13的源极、MOS管M3的源极、MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M4的源极、MOS管M14的源极、MOS管M19的源极、MOS管M7的漏极和MOS管M8的漏极共连并接电源电压，MOS管M18的栅极与MOS管M19的栅极相连并接收共模电压反馈信号cmfbl，MOS管M18的漏极与MOS管M13的漏极、MOS管M15的漏极、MOS管M20的漏极和电容Cl的一端相连并产生正极输出差分信号，MOS管M13的栅极与电阻Rl的一端、MOS管M3的漏极、MOS管M5的漏极、MOS管Ml的漏极和MOS管M8的栅极相连，电阻Rl的另一端与MOS管M3的栅极相连，MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极相连并接收给定的偏置电压Vbp，MOS管M6的漏极与MOS管M4的漏极、电阻R2的一端、MOS管M14的栅极、MOS管M7的栅极和MOS管M2的漏极相连，电阻R2的另一端与MOS管M4的栅极相连，MOS管M14的漏极与MOS管M19的漏极、电容C2的一端、MOS管M16的漏极和MOS管M21的漏极相连并产生负极输出差分信号，MOS管M7的源极与MOS管M9的漏极、MOS管Mll的漏极、MOS管M15的栅极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与MOS管M9的栅极相连，MOS管Mll的栅极与MOS管M17的栅极和MOS管M12的栅极相连并接收给定的偏置电压Vbn，M0S管M17的漏极与MOS管Ml的源极和MOS管M2的源极相连，MOS管Ml的栅极接收正极输入差分信号，MOS管M2的栅极接收负极输入差分信号，MOS管M8的源极与MOS管M12的漏极、MOS管MlO的漏极、MOS管M16的栅极和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与MOS管MlO的栅极相连，MOS管M20的栅极与MOS管M21的栅极相连并接收共模电压反馈信号cmfb2，MOS管M20的源极与电容Cl的另一端、MOS管M15的源极、MOS管M9的源极、MOS管Mll的源极、MOS管M17的源极、MOS管M12的源极、MOS管MlO的源极、MOS管M16的源极、MOS管M21的源极和电容C2的另一端共连并接地；M0S管M18、M13、M3、M5、M6、M4、M14 和 M19 采用 PMOS 管，MOS 管 M7、M8、M1、M2、M20、M15、M9、M11、M17、M12、M10、M16 和M21采用NMOS管。
[0013]所述的摆率增强单元包括两块摆率增强电路，所述的摆率增强电路包括九个MOS管NI~N9 ;其中，MOS管N7的源极与MOS管N5的源极、MOS管N3的源极、MOS管N4的源极、MOS管N6的源极和MOS管N8的源极共连并接电源电压，MOS管N7的栅极与MOS管N5的栅极、MOS管N5的漏极、MOS管N3的漏极和MOS管NI的漏极相连，MOS管N7的漏极接主运算放大单元的正极输出端，MOS管NI的栅极接收正极输入差分信号，MOS管NI的源极与MOS管N2的源极和MOS管N9的源极相连，MOS管N3的栅极与MOS管N4的栅极相连并接收给定的基准电压VREFl，MOS管N9的栅极接收给定的基准电压VREF2，MOS管N9的源极接地，MOS管N8的栅极与MOS管N6的栅极、MOS管N6的漏极、MOS管N4的漏极和MOS管N2的漏极相连，MOS管NS的漏极接主运算放大单元的负极输出端，MOS管N2的栅极接收负极输入差分信号；M0S管N3~N8采用PMOS管，MOS管N1、N2和N9采用NMOS管。
[0014]所述的共模反馈单元包括九个MOS管Ql~Q9和两个电容C3~C4 ;其中，MOS管Ql的源极与MOS管Q2的源极、MOS管Q3的源极和MOS管Q4的源极共连并接电源电压，MOS管Ql的栅极与MOS管Ql的漏极、MOS管Q2的漏极和MOS管Q5的漏极相连并产生共模电压反馈信号cmfbl，MOS管Q2的栅极接收给定的偏置电压Vbp，MOS管Q3的栅极与MOS管Q4的栅极、MOS管Q3的漏极和MOS管Q6的漏极相连，MOS管Q4的漏极与MOS管Q7的漏极、MOS管Q8的漏极和MOS管Q7的栅极相连并产生共模电压反馈信号cmfb2，M0S管Q5的源极与MOS管Q6的源极和MOS管Q9的漏极相连，MOS管Q5的栅极接收给定的共模电压vcmo，MOS管Q6的栅极与电容C3的一端和电容C4的一端相连，电容C3的另一端接主运算放大单元的负极输出端，电容C4的另一端接主运算放大单元的正极输出端，MOS管Q9的栅极与MOS管Q8的栅极相连并接收给定的偏置电压Vbn，MOS管Q9的源极与MOS管Q7的源极和MOS管Q8的源极共连并接地；M0S管Ql?Q4采用PMOS管，MOS管Q5?Q9采用NMOS管。
[0015]本发明运放电路采用输入级电流抽取结构，利用有源电流镜部分地抽取负载管中的电流，以降低其有效电阻；同时在主运放两侧并联摆率增强电路，用来增强输出信号的摆率，且输出级应用Class-AB输出结构。本发明先在运算放大器的输入端负载管上并联电流镜，并计算电流抽取的大小，根据需要调节电流镜的宽长比，使得二极管接法的MOS管中流过的电流减小相应数值，进而达到降低跨导的效果，这一结构同时也应用到了输出级上。这样整体电路在功耗降低的条件下保持了增益带宽积满足整体调制器要求的水平；再者，考虑到主电路在摆率上难以满足系统的整体要求。但迫于功耗要求又不能大量增加输出级电流以及输入对管尾电流，因此在运算放大器上并联前馈结构，在运放处于工作状态时为负载注入补偿电流以增大使出信号的摆率，且不会消耗过多的瞬态功耗。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下优点和技术效果:
[0017](I)功耗极低。由于使用了电流抽取结构，在尾电流保持不变的情况下通过将输出电阻提高到原来的l/(l-k)来提高DC增益，而等效跨导Gm并没有发生变化；在输出级由于抽取电流的作用，在保持输出级电流不变的条件下可以适当增大电流镜镜像比，从而增大了 Gm，增益和GBW也得以提高。主运放中四个补偿电阻Rl?R4主要用于隔离相应二极管接法管子的寄生电容，在频域上相当于引入零点，推远次极点，在低功耗的环境中增加运放的稳定性。
[0018](2)主运放的摆率得到极大的提升。通过摆率增强电路的提升，主运放摆率被提升为原来的两倍，并且不消耗过多的额外功耗，因此可以满足A-SADC的要求，使其工作在处理音频信号时不会产生失真，在满足设计指标的前提下大大降低了功耗。仿真表明在幅值为-4.35dB的信号输入下信噪比达到了 106.4dB，功耗和品质因素分别仅为3.86mW和565.75fJ/Convers1n_step0
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为静态及动态噪声到调制器输出端的噪声传递函数示意图。
[0020]图2为单级运算放大器的结构示意图。
[0021]图3为两级米勒补偿运算放大器的结构示意图。
[0022]图4为本发明全差分运算放大器的结构示意图。
[0023]图5为主运算放大单元的结构示意图。
[0024]图6为摆率增强电路的结构示意图。
[0025]图7为共模反馈单元的结构示意图。
[0026]图8为第一级运放关于相位和增益的交流响应特性仿真波形图。
[0027]图9为第一级运放关于相位和增益的共模环路响应特性仿真波形图。
【具体实施方式】
[0028]为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案进行详细说明。
[0029]如图4所示，一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器，包括:主运放单元，两块摆率增强电路和共模反馈单元。
[0030]由于大的输入输出摆幅和快的时钟频率，运放所需的增益带宽积和摆率都很高，设计难度大。经过运放结构比较及文献调研后，运放最终采用一级电流镜结构和Class-AB输出，并引入了电流抽取技术、电阻补偿和摆率增强技术，在满足设计指标的要求下最大限度地节省功耗。
[0031]故本实施方式采用如图5所示的主运放单元结构，一级电流镜结构，Class-AB输出级保证相同的正负摆率。管子M5和M6作为电流源，从输入对管Ml和M2的漏极电流I1中抽取了一部分电流H1OKKl)，大大提高了一级电流镜结构运放的DC增益，其表达式如下式所示:
[0032]
【权利要求】
1.一种低功耗高摆率高增益带宽积的全差分运算放大器，其特征在于，包括: 主运算放大单元； 摆率增强单元，用于提高主运算放大器输出差分信号的摆率； 共模反馈单元，用于对所述的输出差分信号进行平均放大，以向主运算放大器提供两路共模电压反馈信号cmfbl~cmfb2 ； 所述的主运算放大器根据两路共模电压反馈信号cmfbl~cmfb2，应用电流抽取技术在低功耗的环境下对输入差分信号进行增益放大，得到所述的输出差分信号。
2.根据权利要求1所述的全差分运算放大器，其特征在于:所述的主运算放大单元包括二^^一个MOS管Ml~M21、四个 电阻Rl~R4和两个电容Cl~C2 ;其中，MOS管M18的源极与MOS管M13的源极、MOS管M3的源极、MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M4的源极、MOS管M14的源极、MOS管M19的源极、MOS管M7的漏极和MOS管M8的漏极共连并接电源电压，MOS管M18的栅极与MOS管M19的栅极相连并接收共模电压反馈信号cmfbl，MOS管M18的漏极与MOS管M13的漏极、MOS管M15的漏极、MOS管M20的漏极和电容Cl的一端相连并产生正极输出差分信号，MOS管M13的栅极与电阻Rl的一端、MOS管M3的漏极、MOS管M5的漏极、MOS管Ml的漏极和MOS管M8的栅极相连，电阻Rl的另一端与MOS管M3的栅极相连，MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极相连并接收给定的偏置电压Vbp，MOS管M6的漏极与MOS管M4的漏极、电阻R2的一端、MOS管M14的栅极、MOS管M7的栅极和MOS管M2的漏极相连，电阻R2的另一端与MOS管M4的栅极相连，MOS管M14的漏极与MOS管M19的漏极、电容C2的一端、MOS管M16的漏极和MOS管M21的漏极相连并产生负极输出差分信号，MOS管M7的源极与MOS管M9的漏极、MOS管Mll的漏极、MOS管M15的栅极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与MOS管M9的栅极相连，MOS管Mll的栅极与MOS管M17的栅极和MOS管M12的栅极相连并接收给定的偏置电压Vbn，M0S管M17的漏极与MOS管Ml的源极和MOS管M2的源极相连，MOS管Ml的栅极接收正极输入差分信号，MOS管M2的栅极接收负极输入差分信号，MOS管M8的源极与MOS管M12的漏极、MOS管MlO的漏极、MOS管M16的栅极和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与MOS管MlO的栅极相连，MOS管M20的栅极与MOS管M21的栅极相连并接收共模电压反馈信号cmfb2，MOS管M20的源极与电容Cl的另一端、MOS管M15的源极、MOS管M9的源极、MOS管Mll的源极、MOS管M17的源极、MOS管M12的源极、MOS管MlO的源极、MOS管M16的源极、MOS管M21的源极和电容C2的另一端共连并接地；M0S管M18、M13、M3、M5、M6、M4、M14和M19采用PMOS管，MOS管M7、M8、M1、M2、M20、M15、M9、M11、M17、M12、M10、M16 和 M21 采用 NMOS 管。
3.根据权利要求1所述的全差分运算放大器，其特征在于:所述的摆率增强单元包括两块摆率增强电路，所述的摆率增强电路包括九个MOS管NI~N9 ;其中，MOS管N7的源极与MOS管N5的源极、MOS管N3的源极、MOS管N4的源极、MOS管N6的源极和MOS管N8的源极共连并接电源电压，MOS管N7的栅极与MOS管N5的栅极、MOS管N5的漏极、MOS管N3的漏极和MOS管NI的漏极相连，MOS管N7的漏极接主运算放大单元的正极输出端，MOS管NI的栅极接收正极输入差分信号，MOS管NI的源极与MOS管N2的源极和MOS管N9的源极相连，MOS管N3的栅极与MOS管N4的栅极相连并接收给定的基准电压VREF1，M0S管N9的栅极接收给定的基准电压VREF2，M0S管N9的源极接地，MOS管N8的栅极与MOS管N6的栅极、MOS管N6的漏极、MOS管N4的漏极和MOS管N2的漏极相连，MOS管N8的漏极接主运算放大单元的负极输出端，MOS管N2的栅极接收负极输入差分信号；M0S管N3~N8采用PMOS管，MOS管N1、N2和N9采用NMOS管。
4.根据权利要求1所述的全差分运算放大器，其特征在于:所述的共模反馈单元包括九个MOS管Ql~Q9和两个电容C3~C4 ;其中，MOS管Ql的源极与MOS管Q2的源极、MOS管Q3的源极和MOS管Q4的源极共连并接电源电压，MOS管Ql的栅极与MOS管Ql的漏极、MOS管Q2的漏极和MOS管Q5的漏极相连并产生共模电压反馈信号cmfbl，MOS管Q2的栅极接收给定的偏置电压Vbp，MOS管Q3的栅极与MOS管Q4的栅极、MOS管Q3的漏极和MOS管Q6的漏极相连，MOS管Q4的漏极与MOS管Q7的漏极、MOS管Q8的漏极和MOS管Q7的栅极相连并产生共模电压反馈信号cmfb2，MOS管Q5的源极与MOS管Q6的源极和MOS管Q9的漏极相连，MOS管Q5的栅极接收给定的共模电压，MOS管Q6的栅极与电容C3的一端和电容C4的一端相连，电容C3的另一端接主运算放大单元的负极输出端，电容C4的另一端接主运算放大单元的正极输出端，MOS管Q9的栅极与MOS管Q8的栅极相连并接收给定的偏置电压Vbn，M0S管Q9的源极与MOS管Q7的源极和MOS管Q8的源极共连并接地；M0S管Ql~Q4采用PMOS管，MOS管 Q5~Q9采用NMOS管。
【文档编号】H03F1/42GK104079246SQ201410221940
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】赵梦恋, 苏汉阳, 吴晓波, 黄种艺 申请人:浙江大学