专利名称：一种轨对轨运算放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种适用于宽输出电压范围高电流匹配性电荷泵的轨对轨运 放，以下结合附图，通过实例对其进行进一步描述，但是不构成对本发明的限制。本实例 的电路级仿真采用的是TSMCO. 18um RF CMOS工艺，并使用Cadence公司的SpectreRF在 ADE(Advanced Design Environment)环境下仿真得到的，电路工作的电源电压为1. 8V。
图1是本发明轨对轨运放的晶体管级电路图。该运放由三部分组成，即运放第一 级电路1、第二级电路2和米勒补偿电路。第一级电路1为该运放核心部分，其包含有N管 输入电路6、P管输入电路5、电流注入电路4、电流抽取电路3、第一级输出支路电路7、偏置 电路以及连接各电路的第一至第十九节点ai-ai9。第二级电路2是一个以电流源为负载的 共源放大器。以上各电路的连接关系为电流抽取电路3、电流注入电路4、P管输入电路5和N 管输入电路6的正负输入端彼此并联与输入信号正负端相连；电流抽取电路3和电流注入 电路4的输出端(输出电流)连接到偏置电路、的电流汇合端，该汇合端同样连接到第一 级输出支路7的第一电压偏置端；P管输入电路5的两个输出端(输出电流)连接到第一级 输出支路7的两个第一输入端(电流输入端)，N管输入电路6的两个输出端(输出电流) 连接到第一级输出支路7的两个第二输入端(电流输入端)；偏置电路输出端分别 连接到第一级输出支路7的第二、第三电压偏置端。电流抽取电路3和P管输入电路5的 电压偏置端相并联接到偏置电路b2的电压输出端，电流注入电路4和N管输入电路6的电 压偏置端相并联接到偏置电路1^的电压输出端；第一级输出支路7的输出端接第二级电路 2的输入端和米勒补偿电路的输入端，第二级电路2的输出端接米勒补偿电路的输出端。在第一级电路1中，电流抽取电路3补偿P管输入电路5注入到第一级输出支路 电路7中的电流，使第一级输出支路电路7中的电流不受P管输入电路5中电流的影响；同 理，电流注入电路4补偿N管输入电路6注入到第一级输出支路7中的电流，使第一级输出 支路7中电流不受N管输入电路6中电流的影响。米勒补偿电路用于增加两级运放的稳定 性。本发明第一级电路1的构成如下电流注入电路4由第一至三MOS管Mp M2和M3 构成其中第三MOS管M3的漏端与第一、二 MOS管M1和M2的源端相连接于第三节点a3 ；第 三MOS管M3的源端接地，栅端连接到第五节点a5上，第一、二 MOS管M1J2的漏端连接到节 点第十节点a1Q上，第一、二 MOS管M1J2的栅端分别接到第一、二节点 、a2上。N管输入电路6由第四、五MOS管M4、M5和第七MOS管M7构成第七MOS管M7的漏 端与第四、五MOS管M4、M5的源端相连接于第四节点a4 ；第七MOS管M7的源端接地，栅端接 到第五节点 上，第四、五MOS管Μ4、Μ5&漏端分别接到第十一、十二节点an、a12上，第四、 五MOS管M4、M5的栅端分别接到第一、二节点 、a2上。P管输入电路5由第九、十和i^一 MOS管M9、Mltl、M11构成第九MOS管M9的漏端与 第十、十一 MOS管M1Q、Mn的源端相连接于第七节点a7 ；第九MOS管M9的源端接电源，栅端接 到第六节点 上；第十、十一 MOS管MltlJ11的漏端分别接到第十一、十二节点an、a12上，而栅端分别接到第一、二节点 、 上；电流抽取电路3由第十二、十三和十四MOS管M12、M13、 M14构成第十二 MOS管M12的漏端与第十三、十四MOS管M13、M14的源端相连接于第八节点 a8 ；第十二 MOS管M12的源端接电源，栅端接到第六节点a6上；第十三、十四MOS管M13、M14的 漏端相连接到第十节点a1(l上，第十三、十四MOS管M13、M14的栅端分别接到第一、二节点 、 a2上；第一级输出支路7由第十五、十六MOS管M15、M16以及第十八至二十三MOS管M18-M23 构成第十五、十六MOS管M15、M16的源端相连接到第九节点a9上，第十五、十六MOS管M15、 M16的栅端相连接到第十节点a1(1上，第十五、十六MOS管M15、M16的漏端分别接第十一、十二 节点an、a12 ；第十八、十九MOS管M18、M19的源端分别接到第十一、十二节点an、a12，栅端相连 接到第十节点a1(1上，漏端分别接第十四、十五节点a14、a15 ；第二十、二十一 MOS管M2(1、M21的 源端分别接到第十七、十八节点a17、a18，栅端相连接到第十六节点a16，漏端分别接第十四、 十五节点a14、a15 ；第二十二、二十三MOS管M22、M23的源端相连接到第十九节点a19后接地， 栅端相连接到第十四节点a14，漏端分别接第十七、十八节点a17、a18 ；第一级电路1的偏置电 路包括第六MOS管M6、第八MOS管M8、第十七MOS管M17、第一电流源Ibnl、第二电流源Ibpl、第 三电流源Itaill、第一偏置电压源Vbpl和第二偏置电压源Vbnl 第六MOS管M6的源端接地，栅 端和漏端与第一电流源Ibnl的一端相连接于第五节点a5，而第一电流源Ibnl的另一端接电 源；第八MOS管M8的源端接电源，栅端和漏端与第二电流源Ibpl —端相连接于第六节点a6， 所述第二电流源Ibpl的另一端接地；所述第十七MOS管M17的源极接第九节点a9，栅端和漏 端与第三电流源Itaill的一端相连接于第十节点a1(l，第三电流源Itaill的另一端接地；第一 偏置电压源Vbpl —端接第十三节点a13，另一端接地；所述第二偏置电压源Vbnl —端接第十六 节点a16，另一端接地。本发明第二级电路2的构成如下第二级电路2包括第二十四至二十六MOS管 M24-M26、第四电流源I1以及第二十至二十二节点a2(1-a22。第四电流源I1和第二十五MOS管 M25作为第二级电路的偏置电路；第二十四MOS管M24的源端接电源，栅端接米勒补偿电路的 输入端，漏端接第二十节点a2(1 ；第二十六MOS管M26的漏端接第二十节点a2(1，第二十六MOS 管M26的栅端和第二十五MOS管M25的栅端相连接于第二十一节点a21，第二十五和二十六 MOS管M25、M26的源端相连接于第二十二节点a22后接地；第二十五MOS管M25的漏端和第四 电流源I1的一端相连接于第二十一节点a21 ；第四电流源I1的另一端接电源。本发明的米勒补偿电路由电阻队和电容C1串联构成。电阻R1—端接电容C1，另 一端接第十五节点a15，电容C1 一端接电阻R1,另一端接第二十节点a2(1。第一级电路1和第 二级电路2共同构成了两级运放，米勒补偿电路提高了运放的稳定性。第一节点ai和第二 节点a2分别与输入端口 Vinl-和Vinl+相连接，作为整个运放的两个输入端口，第二十节点 和输出端口 v。utl相连接作为整个运放的输出端口。本发明的轨对轨运算放大器在输入共模电平轨对轨变化时，第一级输出支路电 路7工作电平保持较小变化的原理解释如下首先忽略晶体管的沟长调制效应，假设MOS 管 M17、M15 和 M16 的宽长比都相同，则有 I3 = Itaill+Iinjl-(Inl/2) + (Ipl/2)-Iextl。如果 Iinjl = (Inl/2)，Iextl = (Ipl/2)，则I3 = Itaill。因为N管输入电路6的各晶体管偏置条件和电流注 入电路4的各晶体管偏置条件都相同，只要N管输入电路6的晶体管尺寸是相对称的电流 注入电路4的晶体管尺寸的2倍，则1_= (Inl/2)。同理，因为P管输入电路5中各晶体 管偏置条件和电流注入电路3中各晶体管偏置条件都相同，只要P管输入电路5的晶体管尺寸是相对称的电流注入电路3的晶体管尺寸的2倍，则I3 = Itaillo在上述两个条件满足 的情况下，输入信号轨对轨的变化就不会引起第一级输出支路电路7中电流I3的变化，从 而使得该级的输出电压(即节点a15的电压)保持不变，确保第二级电路偏置不受影响，从 而保证两级电路正常工作。在实际电路中，各晶体管由于沟长调制效应的存在，使得13在 输入信号轨对轨变化中有相应的变化，从而引起输出电压共模电平的变化，但通过调整MOS 管礼和礼2的尺寸，可将这种变化限制在可接受的范围内。在本例中，仿真显示，输入共模 电平轨对轨变化(0-1. 8V)时，第一级输出工作电平的变化小于38mv，见图4所示。本发明偏置电路中的各理想电压源和理想电流源可用多种形式的晶体管电路实 现，这里没有详细给出。作为本发明的一个实例，本发明轨对轨运放将被应用到锁相环的电荷泵电路中。 电荷泵是锁相环电路的一个重要模块，用于增大锁相环的相位和频率跟踪范围。电荷泵上 拉电流和下拉电流之间的失配是电荷泵的一大非理想因素。锁相环正常锁定时，电流失配 会在压控振荡器的控制信号上产生周期性的电压波动，使压控振荡器输出信号频谱中产生 参考杂散，导致输出信号频率抖动。为了解决这一问题，电荷泵中通常需要采用由一个运 放和相应负反馈回路构成单位增益反馈回路来提高上拉电流和下拉电流的匹配性。然而， 由于受到所用运放的限制，现有电荷泵只在较小的电压范围内保持高的电流匹配性，在输 出电压较高或者较低的两端仍然会出现较大的电流失配，从而限制了锁相环的输出频率范 围。本发明能够使电荷泵在接近轨对轨的输出电压范围内，保持极低的上拉/下拉电流失 配。以下给出本发明的一个应用实例图2是应用本发明运放的电荷泵晶体管级电路 图。该电路包括六大部分参考支路8、电荷泵支路9、电荷矫正支路10、运放A1和A2以及 稳定性补偿电路(R2和C2)。运放A1即为图1所示的两级运放，而运放A2为运放Al的第一 级，其结构如图3所示。各模块电路晶体管级连接关系如下参考支路8由Mi_R至M6_R构 成Mi_R栅端接第二十二节点a22，源端接节点a21 (接电源)，漏端和M2_R源端相接；M2_R漏 端和M3_R源端相接，M2_R栅端和M3_R栅端相连接于节点a23 (接地)；M3_R漏端和M4_R漏端 相连接于节点a24 ；M4_R源端和M5_R漏端相接，M4_R栅端和M5_R栅端相连接于节点a24 (接 电源)；M5_R源端和M6_R漏端相接，M6_R栅端接节点a25，源端接节点a26(接地)。电荷泵支 路 9 由 Mi_P、M21_P、M22_P、M3_P、M4_P、M51_P、M52_P 和 M6_P 构成Mi_P 源端接节点 a21、栅端接 节点a22、漏端接节点a27 ；M21_P的漏端和M22_P的源端相连接节点a27、它们的栅端分别接节 点a29和a3(1、M21_P的源端和M22_P的漏端相连接节点a28 ；M3_P的源端接节点a28、漏端接节点 a3Q、栅端接节点a23 ；M4_P的漏端接节点a3(l、源端接节点a32、栅端接节点a24 ；M51_P的漏端和 M52_P的源端相连接节点a32、它们的栅端分别接节点a31和a33、M51_P的源端和M52_P的漏端 相连接节点a34 ；M6_P的漏端接节点a34，源端接节点a26、栅端接节点a25。电荷矫正支路10由 M23_CC、M24_CC、M3_CC、M4_CC、M53_CC 和 M54_CC 构成M23_CC 的漏端和 M24_CC 的源端相连接于 节点a27、它们的栅端分别接节点a3(1和a29、M23_CC的源端和M24_CC的漏端相连接于节点a35 ； M3_CC的栅端接节点a23、漏端接节点a36、源端接节点a35 ；M4_CC的栅端接节点a24、漏端接节 点a36、源端接节点a37 ；M53_CC的漏端和M54_CC的源端相连接于节点a37、它们的栅端分别接 节点a33和a31、M53_CC的源端和M54_CC的漏端相连接于节点a34。运放A1正向输入端接节点 a3(1、反相输入端和输出端相连接节点a36。运放A2正向输入端接节点a24、反相输入端接节点a3。、输出端力接节点a22。米勒补偿电路0 2和。2) 一端愧端)接运放A2输出端力于节点 a22，另一端沁端)接节点a24。晶体管M27和电流源19为参考支路8和电荷泵支路9提供 偏置。电流源一端接电源，另一端接M27漏连于节点a25 ；M27栅端和漏端连接到一起接电流源 一端于节点a25、源端接地。节点a3(l连接信号线v-作为电荷泵的输出端。信号up和up_B 是电荷泵上拉电流16的接通或关断信号，信号down和d0Wn_B是电荷泵下拉电流17的接通 或关断信号。在该电荷泵电路中，各晶体管下标第一个数字相同的器件都是等位器件，即在 电路中为了使各支路相等位的节点上的电压电流特性更好地趋于一致。该电荷泵电路工作 原理简介如下电荷泵支路9、参考支路8、稳定性补偿电路(1 2和(2)以及运放^确保了输 出电压v。ut在轨对轨变化时，电荷泵上拉电流和下拉电流16和17的匹配性。当v。ut轨对轨 变化时，A2和参考支路8以及电荷泵支路9通过负反馈调节会使节点a24的电压和节点a3(1 的电压相等(只要从运放A2的反相输入端到参考支路的节点a24的增益大于从运放A2的反 相输入端到电荷泵支路的节点a3(l的增益，当参考支路中任何一个晶体管的长度大于电荷 泵支路中等位晶体管的长度，则上述条件就能满足)。由于等位器件的存在，此时Mi_P漏端 的节点a27和Mi_R的漏端电压几乎相等，而二者源端接同一个节点，栅端也接同一个节点， 这两个晶体管的偏置条件几乎相同，因此流过二者的电流几乎相等，即I4 ^ 16 ；同理，晶体 管M6_P和M6_R的偏置条件也几乎相同，流过二者的电流也几乎相等，同样有15 ^ 17 ；而电 流14和15流过同一个支路，所以14 = 15，因此有I6 ^ 17，即电荷泵上拉电流和下拉电流几 乎相等。R2和C2用来实现A2与参考支路8构成的负反馈环路的频率补偿，提高环路的稳定 性。运放~和电荷矫正支路10用来消除电荷泵从关断到开启过程中节点a27、a31和a34 之间的电荷共享问题。由于运放~的存在，则节点a36和a3(1之间的电位相等，而电荷泵支 路和电荷矫正支路各等位晶体管的存在保证了两个支路各节点的工作点特性的一致性，因 此在电荷泵开关过程中不会发生电荷共享现象。运放Ai的晶体管级电路图如图1所示。电荷泵开关管中PM0S和NM0S互补开关用来减轻或消除电荷泵打开或关断过程中 时钟信号的馈通效应。电荷泵电路中运放A2的晶体管级电路图如图3所示，它其实只是图1所示运放的 第一级电路。电路各晶体管之间的连接关系和工作原理与~第一级电路相同，故在此不再 赘述。该运放输入端分别为a38(vin2+)和a39(vin2_)，分别接图2中节点a24和a3(l，输出端为 A，用于连接图2中节点a22。图5为图2所示电荷泵的上拉电流和下拉电流以及失配的仿真结果图。表1电荷泵电流失配统计表
以上表1为图5的数值统计表，表中失配电流的数值为绝对值。从图5和表1可以看出 当输出电平为1. 2v时，失配电流最小，为0. 025uA ；当输出电压在1.0-1. 3v之间300mv 内变化时，失配电流在0. 83-0. 84uA，以标称上拉和下拉电流为500uA计，则失配比为
0.166%-0. 168%;当输出电压在0. 2-1.65v之间1.45v内变化时，失配电流在5. 1-5. 46uA, 则失配比为1. 02% -1. 09%。当输出电压在0. lv时，输出电流为414uA，失配电流为6. 13uA，则失配比为
1.48%。当输出电压在0. 05v时，输出电流为270uA,失配电流为6. 75uA，则失配比为2. 5%0当输出电压在1.7v时，输出电流为510uA，失配电流为15. 49uA，则失配比为 3.03%。当输出电压在1.75v时，输出电流为510uA，失配电流为57. 99uA，则失配比为 11. 37%。该电荷泵在输出电压从0. lv至1.7v变化时上拉电流和下拉电流失配比小于3. 1%，达到了很好的上下拉电流失配矫正效果。 注意，本发明所保护的范围不局限于这里描述的实例。在这些实例中，都使用M0S 管，当然，可以使用三极晶体管替代M0S管。在这种情况下，用三极管的基极代替M0S管的 栅极，用集电极代替漏极，用发射极代替源极。该发明不仅仅保护本发明中的轨对轨运放结 构，而且对只使用本发明中的P管输入和电流抽取电路的折叠式运放结构以及只使用N管 输入和电流抽取电路的折叠式运放结构同样起到保护作用。本发明同样保护在电荷泵电路 中为提高参考支路8和运放A2构成的负反馈回路的稳定性而使用的稳定性补偿电路(1 2和 C2)，其中稳定性补偿电路C2端连接到Mi_R或M2_R漏极，或者连接到M4_R或M5_R源极，补偿 原理都是一样的，都在本专利的保护范围之内。对本发明的偏置电路中的电流源和电压源 的具体电路实现不构成对本发明的限制。作为一个实例，本发明中的轨对轨运放仅应用于 电荷泵中，但本实例不对该运放在其他场合的应用构成限制。
权利要求
一种轨对轨运算放大器，包括米勒补偿电路，其特征在于，所述米勒补偿电路的输入端和输出端分别连接有第一级电路(1)和第二级电路(2)，所述第一级电路(1)包含有N管输入电路(6)、P管输入电路(5)、电流注入电路(4)、电流抽取电路(3)、第一级输出支路电路(7)以及偏置电路(b1-b5)；所述电流抽取电路(3)补偿P管输入电路(5)注入到第一级输出支路电路(7)中的电流，使第一级输出支路电路(7)中的电流不受P管输入电路(5)中电流的影响；同理，电流注入电路(4)补偿N管输入电路(6)注入到第一级输出支路(7)中的电流，使第一级输出支路(7)中电流不受N管输入电路(6)中电流的影响；所述第二级电路(2)是一个以电流源为负载的共源放大器。
2.根据权利要求1所述的轨对轨运算放大器，其特征在于，所述第一级电路(1)还包 含有连接各电路的第一至第十九节点(ai-a19)；所述电流注入电路(4)由第一至三MOS管 (M1, M2 ^P M3)构成其中第三MOS管(M3)的漏端与第一、二 MOS管(MjPM2)的源端相连接 于第三节点(a3)；第三MOS管(M3)的源端接地，栅端连接到第五节点(a5)上，第一、二 MOS 管(MJPM2)的漏端连接到节点第十节点(a1Q)上，第一、二 MOS管(MjPM2)的栅端分别接 到第一、二节点( 和a2)上。
3.根据权利要求2所述的轨对轨运算放大器，其特征在于，所述N管输入电路(6)由 第四、五MOS管(M4、M5)和第七MOS管(M7)构成第七MOS管(M7)的漏端与第四、五MOS管 (M4, M5)的源端相连接于第四节点(a4)；第七MOS管(M7)的源端接地，栅端接到第五节点 (a5)上，第四、五MOS管(M4、M5)的漏端分别接到第十一、十二节点(an、a12)上，第四、五MOS 管(M4、M5)的栅端分别接到第一、二节点(&1和&2)上。
4.根据权利要求3所述的轨对轨运算放大器，其特征在于，所述P管输入电路(5)由第 九、十和i^一 MOS管(M9、M1Q和M11)构成第九MOS管(M9)的漏端与第十、i^一 MOS管(M10, M11)的源端相连接于第七节点(a7)；第九MOS管(M9)的源端接电源，栅端接到第六节点(a6) 上；第十、十一 MOS管(M1(l、Mn)的漏端分别接到第十一、十二节点(an、a12)上，而栅端分别 接到第一、二节点(ai、a2)上。
5.根据权利要求4所述的轨对轨运算放大器，其特征在于，所述电流抽取电路(3)由 第十二、十三和十四MOS管(M12、M13和M14)构成第十二 MOS管(M12)的漏端与第十三、十四 MOS管(M13、M14)的源端相连接于第八节点(a8)；第十二 MOS管(M12)的源端接电源，栅端接 到第六节点(a6)上；第十三、十四MOS管(M13, M14)的漏端相连接到第十节点(a10)上，第 十三、十四MOS管(M13、M14)的栅端分别接到第一、二节点(B1^a2)上。
6.根据权利要求5所述的轨对轨运算放大器，其特征在于，所述第一级输出支路(7)由 第十五、十六MOS管(M15、M16)以及第十八至二十三MOS管(M18-M23)构成第十五、十六MOS 管(M15, M16)的源端相连接到第九节点(a9)上，第十五、十六MOS管(M15, M16)的栅端相连 接到第十节点(a1(l)上，第十五、十六MOS管(M15、M16)的漏端分别接第十一、十二节点(an、 a12)；第十八、十九MOS管(M18、M19)的源端分别接到第十一、十二节点(an、a12)，栅端相连接 到第十节点(a1(l)上，漏端分别接第十四、十五节点(a14、a15)；第二十、二十一 MOS管(M2Q、 M21)的源端分别接到第十七、十八节点(a17、a18)，栅端相连接到第十六节点(a16)，漏端分别 接第十四、十五节点(a14、a15)；第二十二、二十三MOS管(M22、M23)的源端相连接到第十九节 点(a19)后接地，栅端相连接到第十四节点(a14)，漏端分别接第十七、十八节点(a17、a18)；所述第一级电路⑴的偏置电路(b「b5)包括第六MOS管(M6)、第八MOS管(M8)、第十七MOS管(M17)、第一电流源(Ibnl)、第二电流源(Ibpl)、第三电流源(Itaill)、第一偏置电压 源(Vbpl)和第二偏置电压源(Vbnl)第六MOS管(M6)的源端接地，栅端和漏端与第一电流 源(Ibnl)的一端相连接于第五节点(a5)，而第一电流源(Ibnl)的另一端接电源；第八MOS管 (M8)的源端接电源，栅端和漏端与第二电流源(Ibpl) —端相连接于第六节点(a6)，所述第二 电流源(Ibpl)的另一端接地；所述第十七MOS管(M17)的源极接第九节点(a9)，栅端和漏端 与第三电流源(Itaill)的一端相连接于第十节点(a1(l)，第三电流源(Itaill)的另一端接地； 第一偏置电压源(Vbpl) —端接第十三节点(a13)，另一端接地；所述第二偏置电压源(Vbnl) — 端接第十六节点(a16)，另一端接地。
7.根据权利要求1所述的轨对轨运算放大器，其特征在于所述第二级电路(2)包括第二十四至二十六MOS管(M24-M26)、第四电流源(I1)以及第二十至二十二节点(如- 2)， 第四电流源(I1)和第二十五MOS管(M25)作为偏置电路；第二十四MOS管(M24)的源端接 电源，栅端接米勒补偿电路的输入端，漏端接第二十节点(aj ；第二十六MOS管(M26)的漏 端接第二十节点(aj，第二十六MOS管(M26)的栅端和第二十五MOS管(M25)的栅端相连接 于第二十一节点(a21)，第二十五和二十六MOS管(M25、M26)的源端相连接于第二十二节点 (a22)后接地；第二十五MOS管(M25)的漏端和第四电流源(I1)的一端相连接于第二十一节 点(a21)；第四电流源(I1)的另一端接电源。
8.根据权利要求1所述的轨对轨运算放大器，其特征在于所述米勒补偿电路由电阻 (R1)和电容(C1)串联构成。
全文摘要
本发明公开了一种轨对轨运算放大器，包括米勒补偿电路，该电路分别连接有第一级电路和第二级电路，第一级电路包含有N管输入电路、P管输入电路、电流注入电路、电流抽取电路、第一级输出支路电路以及偏置电路；电流抽取电路补偿P管输入电路注入到第一级输出支路电路中的电流，使第一级输出支路电路中的电流不受P管输入电路中电流的影响；同理，电流注入电路补偿N管输入电路注入到第一级输出支路中的电流，使第一级输出支路中电流不受N管输入电路中电流的影响；所述第二级电路是一个以电流源为负载的共源放大器。该种运算放大器不但结构简单，而且能够在轨对轨电压范围内保证较高的增益，并稳定第一级输出端的直流电平，提高运放的带宽。
文档编号H03F3/45GK101841309SQ20101019333
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者唐生东, 张鸿, 牛杨杨, 程军 申请人:西安交通大学