用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低压低功耗多级运算放大器，特别是涉及一种应用于低压低功耗的多 级运算放大器。
【背景技术】
[0002] 低压低功耗多级运算放大器的技术研宄始终是低功耗电路很活跃的研宄领域，多 级运算放大器的补偿技术可以广泛应用于便携式电子设备，例如：手机电池和笔记本电池、 LDO等设备中。近年来由于著名的三级运算放大器的多级补偿方法一嵌套式密勒补偿技术 (NMC)的固有限制，S卩：该补偿技术存在右半平面零点和两个大补偿电容；这些不足极大地 限制了其在低压低功耗多级运算放大器电路的应用。随之涌现出了许多关于多级运算放大 器的补偿方法来改进NMC技术，它们在低功耗的条件下极大地提高运放的稳定性的同时， 也拓展了增益带宽积和摆率。但是以上技术也存在一些不足，例如：有些补偿电容由于正比 例于负载电容，而导致芯片面积增加，最终电路的制造成本也提高了；于是后来的补偿技术 开始将补偿电容的面积正比例于负载电容的几何平均数，这样就大大节约了芯片的面积。
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术，本发明提出了一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运 算放大器，提出有源反馈和RC串联补偿（AFMCRC)技术，通过RC串联在第二级输出端引入 零点而形成Pole-ZeroDoublets，以此改善运算放大器的大信号和小信号性能--增益带 宽积和瞬态响应，同时进一步降低功耗，争取在低功耗条件下，获得更好的增益带宽积和 更理想的瞬态响应。
[0004] 本发明提出了一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器，所述放大器由 第一至第八第PMOS晶体管M1(l、Mn^12^17^18^ 21^24^31以及第一至第七匪05晶体管113、 M14、M15、M16、M22、M23、M3tl共15个MOS晶体管、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容 Ca、以及一个电阻Ra构成；其中：
[0005] 第一、第四至第七PMOS晶体管^。、!^、!^、!^、!^、!^的源极共同接供电电源乂^ 除了第二至第三PMOS晶体管Mn、M12的衬底端接源极以外，第一、第四至第七PMOS晶体管 M10、M17、M18、M21、M24、M31的衬底端接供电电源Vdd;第一、第二、第五至第七NMOS晶体管M13、 M14、M22、M23、M3tl的源极共同接地GND;第一至第七M13、M14、M15、M16、M22、M23、M3tl的衬底端接地 GND；
[0006] 第一PMOS晶体管Mltl的栅极接第一偏置电压Vbl、漏极接第二至第三PMOS晶体管 Mn、M12的源极；第一至第二PMOS晶体管Mn、M12的栅极分别接输入电压Vin_和Vin+端；第一 PMOS晶体管M11、第一NMOS晶体管M13的漏极共同接第三NMOS晶体管M15的源极，第三PMOS 晶体管M12、第二NMOS晶体管M14的漏极共同接M16的源极；第一至第二NMOS晶体管M13、M14 的栅极共同接第二偏置电压Vb2，第三至第四NMOS晶体管M15、M16的栅极共同接第三偏置电 压Vb3;第六PMOS晶体管M21、第八PMOS晶体管M31的栅极共同接第四NMOS晶体管M16、第五 PMOS晶体管M18的漏极；第四至第五PMOS晶体管M17、M18的栅极共同接第四PMOS晶体管M17、 第三NMOS晶体管M15的漏极；第四NMOS晶体管M16的源极接第一补偿电容Cm的左端，第一 补偿电容Cm的右端接输出端Vot;
[0007] 第六PMOS晶体管M21、第五NMOS晶体管M22的漏极共同接第五至第六NMOS晶体管 M22、M23的栅极；第六NMOS晶体管M23和第七PMOS晶体管M24的漏极共同接MJJ极；第七 PMOS晶体管M24的栅极接第四偏置电压Vb4;第七NMOS晶体管M3(|、第八PMOS晶体管M31的漏 极共同接输出端Vott;电阻Ra-端共同接第七NMOS晶体管M3(|的栅极；电阻Ra另一端接 电容Ca-端，电容Ca另一端接地GND;外接的负载电容Cj妾V
[0008] 与现有技术相比，本发明能够在低压低功耗（（UW)条件下，该三级运算放大器能 够驱动大负载电容（数百PF)，同时具有大增益带宽积和更好的摆率。
【附图说明】
[0009] 图1三级运算放大器的原理框图；其中=Istage即折叠共源共栅差分输入级； 2stage即增益级；3stage即推挽输出级；
[0010] 图2驱动负载电容为500pF和2nF的三级运算放大器的开环频率响应曲线；
[0011] 图3驱动负载电容为500pF和2nF的三级运算放大器的瞬态响应曲线。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并不 局限于此。
[0013] 本多级运算放大器由15个MOS晶体管（其中PM0S:M1(l、Mn、M12、M17、M18、M21、M2# M31 ;NM0S:M13、M14、M15、M16、M22、M23和MJ、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、 一个电阻Ra构成。连接方式：]?1(|、]\117、]\118、]\1 21、]\124和]\131的源极共同接供电电源￥1)1);除了]\1 11 和M12的衬底端接源极外，M1Q、M17、M18、M21、M24、和M31的衬底端接供电电源VDD。M13、M14、M22、 M23和M3(l的源极共同接地GND;M13、M14、M15、M16、M22、M23和M3(l的衬底端接地GND。
[0014] Mltl的栅极接偏置电压Vbl，Mltl漏极接Mn和M12的源极；Mn、M12的栅极分别接输入 电压Vin-和Vin+端；Mn和M13的漏极共同接M15的源极，M12和M14的漏极共同接M16的源极； M13和M14的栅极共同接偏置电压Vb2，M15和M16的栅极共同接偏置电压Vb3;M21和M31的栅极 共同接M16和M18的漏极;M17和M18的栅极共同接M17和M15的漏极；M16的源极接第一补偿电 容Cm的左端，第一补偿电容Cm的右端接输出端VQUT。
[0015] M21和M22的漏极共同接M22和M23的栅极;M23和M24的漏极共同接M3JI极;MM的栅 极接偏置电压Vb4;M3(|和M31的漏极共同接输出端VOTT;电阻Ra-端共同接M3(|的栅极；电阻 Ra另一端接电容Ca-端，电容Ca另一端接地GND;外接的负载电容Q接VOT。
[0016] 下面是在SMIC65nmCMOS工艺下采用Hspice仿真器，驱动Q= 500pF负载电容 时的交流分析和瞬态分析仿真参数和结果。从中可以看到：增益带宽积GBW= 5. 98MHz，相 位裕度PM=56. 4°，摆率SR=O. 54V/ys，功耗为24yW。另外降低了第一补偿电容Cm， 也就是降低了芯片的面积，对于低压低功耗的电路应用中这是十分有利的。因此本款多级 运算放大器适用于低压低功耗的高速应用领域。
[0017] 在低压低功耗（（yw)条件下，该三级运算放大器能够驱动大负载电容（数百PF)， 同时具有大增益带宽积和更好的摆率。为验证其效果，设定了在大负载电容为500pF，通过 交流仿真和瞬态仿真得出其开环频率响应曲线（图2)和瞬态响应曲线（图3)，仿真的参数 和结果如表格1和表格2所不。
[0018] 表格1仿真的参数OQ= 500pF
【主权项】
1. 一种用于驱动大负载电容的低功耗=级运算放大器，其特征在于，所述放大器由第 一至第八 PMOS 晶体管 Ml。、Mu、Mi2、Mi7、Mis、M21、M24、M3拟及第一至第^；： NMOS 晶体管 M 13、Mi4、 Mie、Mie、M22、M23、M3。，共15个MOS晶体管、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、 W及一个电阻Ra构成；其中； 第一、第四至第^；： PM0S晶体管Ml。、Mi7、Mis、M21、M24、Msi的源极共同接供电电源V DD;除了 第二至第^口105晶体管111、Ml2的衬底端接源极W外，第一、第四至第^；：PM0S晶体管11。、 Mi7、Mis、M21、M24、131的衬底端接供电电源V DD;第一、第二第五至第^；： NM0S晶体管M 13、Mi4、 M22、M23、M3。的源极共同接地GND ;第一至第^；： M。、114、115、116為2為3為。的衬底端接地GND ; 第一 PM0S晶体管Ml。的栅极接第一偏置电压Vbi、漏极接第二至第SPM0S晶体管Mii、Mi2 的源极；第一至第二PM0S晶体管Mii、Mi2的栅极分别接输入电压V 1。_和V W端；第一 PM0S晶 体管Mil、第一 NM0S晶体管Mi3的漏极共同接第S NM0S晶体管M U的源极，第S PM0S晶体管 Mi2、第二NM0S晶体管Mi4的漏极共同接M le的源极；第一至第二NM0S晶体管M 13、Mi4的栅极 共同接第二偏置电压Vb2,第S至第四NM0S晶体管Mi5、Mie的栅极共同接第S偏置电压Vb3; 第六PM0S晶体管M21、第八PM0S晶体管M31的栅极共同接第四NM0S晶体管M16、第五PM0S晶 体管Mis的漏极；第四至第五PM0S晶体管M 17、Mis的栅极共同接第四PM0S晶体管M 17、第； NM0S晶体管Mis的漏极；第四NM0S晶体管M 16的源极接第一补偿电容Cm的左端，第一补偿 电容Cm的右端接输出端VwT; 第六PM0S晶体管M21、第五NM0S晶体管M22的漏极共同接第五至第六NM0S晶体管M 22、 123的栅极；第六NM0S晶体管M 23和第^；： PM0S晶体管M 24的漏极共同接M 3。栅极；第^；： PM0S 晶体管M24的栅极接第四偏置电压Vb4;第走NM0S晶体管M 3。、第八PM0S晶体管Msi的漏极共 同接输出端VauT;电阻Ra -端共同接第走NM0S晶体管M 3。的栅极；电阻Ra另一端接第二补 偿电容化一端，第二补偿电容化另一端接地GND ;外接的负载电容片接V。。1。
【专利摘要】本发明公开了一种用于驱动大负载电容的低功耗三级运算放大器，所述放大器由第一至第八PMOS晶体管M10、M11、M12、M17、M18、M21、M24、M31以及第一至第七NMOS晶体管M13、M14、M15、M16、M22、M23、M30共15个MOS晶体管、两个电容即第一补偿电容Cm和第二补偿电容Ca、以及一个电阻Ra构成。与现有技术相比，本发明能够在低压低功耗(μW)条件下，该三级运算放大器能够驱动大负载电容(数百pF)，同时具有大增益带宽积和更好的摆率。
【IPC分类】H03F1-42, H03F3-45
【公开号】CN104601123
【申请号】CN201410819719
【发明人】张庚宇, 肖夏
【申请人】天津大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月24日