一种无需稳定性补偿的两级全差分放大器的制作方法

本发明属于集成电路设计领域，具体的说是一种全差分放大器。

背景技术：

全差分运算放大器的输出信号和输入信号均为差分信号，由于其在噪声、电压摆幅、带宽频率和单位增益等方面都显示出较好的优越性，所以全差分的形式便经常成为高性能的代名词。传统的差分放大器常见的有单级和两级差分放大器，而单级全差分运放还可以分成简单的全差分、套筒式共源-共栅和折叠式共源-共栅这三种结构。

(1)如图1所示为一个简单的单级差分放大器，vdd表示电源电压，m1和m2构成输入差分对，m3和m4构成负载，这种放大器的增益表示为：

av≈gm1(ro1||ro3)

其中：gm1表示输入管m1跨导，ro1和ro3表示m1和m3管的输出电阻。

(2)在模拟电路的设计过程中，共源-共栅结构的运算放大器是应用最广泛的一种，其能在保持频率特性优秀的前提下，实现电压增益的最大化。选择这种结构的目的，大多数都是为了尽可能大的提高增益。共源-共栅结构的运算放大器主要分为套筒式和折叠式两种。套筒式共源-共栅运算放大器的结构如图2所示，对比于简单结构运放，套筒式共源-共栅结构增加了两对nmos管，使得运放增益得到相当大的改善。该电路中输入管的跨导仍为gm1，输入阻抗约增大为(gm4ro4)ro2||(gm6ro6)ro8，由此可以得到该电路的增益为：av≈gm1[(gm4ro4)ro2||(gm6ro6)ro8]，由此可见套筒式结构要比简单结构的增益提高许多。

如果对单级套筒式结构来说增益还是不够的话就需要增加一级采用两级运放结构，对两级运放结构来说其增益等于前后两级运放的增益乘积，这样可以有效的提升运放的增益，如图3所示为一个简单的两级运放电路结构。但两级运放通常稳定性较差，即相位裕度较低，这时候通常需要使用稳定性补偿技术来使其稳定，一般采用米勒补偿技术，即在运放的第一级输出和第二级输出之间跨接一个电容从而调整整个电路的主极点和次级极点之间的位置起到提高相位裕度的效果，如图3中的电容cc，但是这种补偿会增加一个右半平面零点，这是通过米勒电容的前馈路径得到的，右半平面零点增加了相移，但是幅度是增加的，会导致相位裕度减小，要转移或者抵消这个零点需要用到其他的技术，如添加调零电阻等。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的是提供一种无需稳定性补偿的两级全差分放大器。本发明不使用额外的补偿技术来补偿稳定性，而是通过调节电路中的管子尺寸来提高电路的相位裕度，对电路的带宽影响较小并且不引入额外的零极点，相比传统的密勒补偿两级运放降低了电路复杂度并降低了功耗。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种无需稳定性补偿的两级全差分放大器，包括具有两个输出端的第一级电路和具有两个输入端的第二级电路，第一级电路的输出端分别与第二级电路的输入端连接，所述第一级电路包括mos管m9～mos管m15；所述mos管m9的源极接地，mos管m9的漏极分别与mos管m10的源极、mos管m11的源极连接，mos管m10的漏极分别与mos管m12的漏极、mos管m15的源极连接，mos管m11的漏极分别与mos管m13的漏极、mos管m14的源极连接，mos管m12的源极、mos管m13的源极、mos管m14的漏极和mos管m15的漏极分别与电源vdd连接，mos管m12的栅极与mos管m13的栅极连接，mos管m10的漏极、mos管m11的漏极分别与第二级电路的输入端连接，mos管m10的栅极与mos管m11的栅极分别作为第一级电路的两个输入端。

进一步，所述第二级电路包括mos管m16～mos管m29，所述mos管m16的源极与电源vdd连接，mos管m16的漏极与mos管m18的源极连接，mos管m18的漏极与mos管m20的源极连接，mos管20的漏极与mos管m22的源极连接，mos管m22的源极与mos管m24的漏极连接，mos管m24的源极与mos管m26的漏极连接，mos管m26的源极与mos管m28的漏极连接，mos管m28的源极接地；所述mos管m17的源极与电源vdd连接，mos管m17的漏极与mos管m19的源极连接，mos管m19的漏极与mos管m21的源极连接，mos管21的漏极与mos管m23的漏极连接，mos管m23的源极与mos管m25的漏极连接，mos管m25的源极与mos管m27的漏极连接，mos管m27的源极与mos管m29的漏极连接，mos管m29的源极接地；所述mos管m16的栅极与mos管m17的栅极连接，mos管m18的栅极与mos管m19的栅极连接，mos管m20的栅极与mos管m21的栅极连接，mos管m22的栅极与mos管m23的栅极连接，mos管m24的栅极与mos管m25的栅极连接，mos管m26的栅极与mos管m27的栅极连接，mos管m28的栅极与mos管m29的栅极连接，所述mos管m26的栅极与mos管m2的源极连接，mos管m27的栅极与mos管m3的源极连接，mos管m20的源极、mos管m21的源极分别作为放大器的两个输出端。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

与传统的两级全差分运放相比，本发明没有使用米勒补偿技术进行稳定性补偿，而是通过改变电路结构和管子尺寸的方式直接改变极点位置来改善相位裕度，提高电路稳定性，并且相对传统电路来说，增益高电路复杂度低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为简单的全差分运放结构；

图2为套筒式共源-共栅运算放大器；

图3为一个简单的两级运放结构；

图4为本发明的两级运放电路结构中的第一级电路的电路图；

图5为本发明的两级运放电路结构中的第二级电路的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的电路结构如图4、5所示，一种无需稳定性补偿的两级全差分放大器，包括具有两个输出端的第一级电路和具有两个输入端的第二级电路，第一级电路的输出端分别与第二级电路的输入端连接，第一级的增益较低，第二级是一个两级套筒，增益较高。

所述第一级电路包括mos管m9～mos管m15；所述mos管m9的源极接地，mos管m9的漏极分别与mos管m10的源极、mos管m11的源极连接，mos管m10的漏极分别与mos管m12的漏极、mos管m15的源极连接，mos管m11的漏极分别与mos管m13的漏极、mos管m14的源极连接，mos管m12的源极、mos管m13的源极、mos管m14的漏极和mos管m15的漏极分别与电源vdd连接，mos管m12的栅极与mos管m13的栅极连接，mos管m10的漏极、mos管m11的漏极分别与第二级电路的输入端连接，mos管m10的栅极与mos管m11的栅极分别作为第一级电路的两个输入端。

所述第二级电路包括mos管m16～mos管m29，所述mos管m16的源极与电源vdd连接，mos管m16的漏极与mos管m18的源极连接，mos管m18的漏极与mos管m20的源极连接，mos管20的漏极与mos管m22的源极连接，mos管m22的源极与mos管m24的漏极连接，mos管m24的源极与mos管m26的漏极连接，mos管m26的源极与mos管m28的漏极连接，mos管m28的源极接地；所述mos管m17的源极与电源vdd连接，mos管m17的漏极与mos管m19的源极连接，mos管m19的漏极与mos管m21的源极连接，mos管21的漏极与mos管m23的漏极连接，mos管m23的源极与mos管m25的漏极连接，mos管m25的源极与mos管m27的漏极连接，mos管m27的源极与mos管m29的漏极连接，mos管m29的源极接地；所述mos管m16的栅极与mos管m17的栅极连接，mos管m18的栅极与mos管m19的栅极连接，mos管m20的栅极与mos管m21的栅极连接，mos管m22的栅极与mos管m23的栅极连接，mos管m24的栅极与mos管m25的栅极连接，mos管m26的栅极与mos管m27的栅极连接，mos管m28的栅极与mos管m29的栅极连接，所述mos管m26的栅极与mos管m2的源极连接，mos管m27的栅极与mos管m3的源极连接，mos管m20的源极、mos管m21的源极分别作为放大器的两个输出端。

图4中，m1和m2是输入对管，m3到m6是第一级的负载，其中m3和m6并联，m4和m5并联，因为本发明的两级电路为全差分电路，所以电路两端是完全对称等效的，从第一级的输出端看进去可以知道第一级的输出阻抗约为1/gm5(或1/gm6)，在静态电流一定的情况下，可以通过调节m3和m4的管子尺寸大小来调节流过m5和m6的电流从而调节gm5和gm6，从而调节输出阻抗，我们可以在保持主极点即第二级输出端的极点稳定的情况下通过调节次级极点的位置来调节相位裕度从而提高电路稳定性。

以适当的相位裕度获得“好的稳定度”的重要性可以通过研究时域闭环系统响应得到最好理解，相位裕量越大，引起的输出信号振铃越小，所以有足够的相位裕量保证振铃在可以接受的范围内是很重要的，相位裕量至少要45°，最好是60°。而与相位裕度直接相关的是电路极点之间的距离，对一个两级运放电路来说，它的主极点和次级极点分别存在于第二级输出端和第一级输出端，主极点为p1＝-1/r1cl，其中cl为输出负载电容，r1为从第二级输出端看进去的对地电阻，次级极点为p2＝-1/r2c2，r2为从第一级输出端看进去的对地电阻，c2为从第一级输出端看进去的对地电容。对本次设计来说，从第一级输出端看进去的对地电阻为1/gm5(或1/gm6)，而对地电容则为第二级的输入对管的寄生电容，因此我们可以在保证主极点不动的情况下，通过调节1/gm5(或1/gm6)的大小改变次级极点的位置来改善总电路的相位裕度。

本发明通过调节电路中管子尺寸的方式来调节电路中主极点和次级极点的位置从而调节相位裕度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。