增益和摆率增强型放大器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种增益和摆率增强型放大器，采用电流镜型跨导放大器（OTA）实现，由一个差分输入级单元和一个双端转单端单元构成。本发明的放大器采用增加电流控制可变电阻的方式，优化电流镜结构，使电路在相同静态功耗情况下可以得到更高的电压增益和带宽，在大信号输入时，可以得到更高的摆率。本发明电路仅需要增加4个电流控制可变电阻，即可使放大器在保持相同功耗的前提下，电路的摆率从0.88V/μs提高到4.8V/μs，带宽从2.54MHz提高到4.3MHz.。本发明电路可广泛应用于可用于开关电容电路、数据转换器、混合信号片上系统等电路领域。
【专利说明】増益和摆率增强型放大器
【技术领域】
[0001]本发明涉及ー种放大器，特别是一种增益和摆率增强型放大器，它应用于开关电容电路、数据转换器、混合信号片上系统等集成电路领域。
【背景技术】
[0002]高性能运算跨导放大器(OTA)是开关电容滤波器、电源管理、数据转换器等模拟电路的重要组成部分，也是构成更为复杂、高集成度混合信号SoC的基础模块。在大多数的应用中，跨导放大器必须要满足例如宽带宽、高増益、摆率增强型和低功耗的要求。
[0003]电流镜跨导放大器是业界常用的实现方式，因为其仅具有单极点，无需频率补偿即可稳定，而且具有宽输出摆幅，设计简单。文献I (JeongJin Roh, High-GainClass-AB OTA with Low Quiescent Current, Analog Integrated Circuits and Signa丄Processing, 47，225 - 228，2006)中对简单的OTA进行了改进，利用输入器件分裂和交叉反馈技术，提高了电路增益。但是，此种电路的摆率仅通过严格的电流镜像来得到，由于多电流支路的分流作用，如果在保持输出级电流镜倍数不变的情况下，摆率下降，不能满足高增益、摆率的需求。
【发明内容】
[0004]为了克服上述常规电流镜跨导放大器的増益和摆率低的问题，本发明提出了ー种増益和摆率增强型放大器，仅需要増加少量器件，可在不显著增加电路功耗的情况下，大幅提升放大器的増益和摆率。
[0005]为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于，一种增益和摆率增强型放大器，包括:
[0006]ー个差分输入级单元，包括 PMOS 管 M。、PMOS 管 Mla、PMOS 管 Mlb、PMOS 管 M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9?M12和晶体管Ma1、晶体管Ma2，将输入差分信号Vn和Vp进行对称的差分放大；和
[0007]ー个双端转单端单元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、晶体管Mb1、晶体管mB2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号Vw和\2转换为单端信号\，作为增益和摆率增强型放大器的输出。
[0008]所述差分输入级单元，包括PMOS管M。、PMOS管Mla、PMOS管Mlb、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9?M12和晶体管Ma1、晶体管Ma2，将输入差分信号Vn和Vp进行对称的差分放大。其中，PMOS管M0的源极与Vdd相接，M0的漏极与PMOS管Mla, Mlb与M2a, M2b的源极相接，Mtl的栅极连接偏置电压VBP，构成尾电流源，Mla与Mlb的栅极相接，M2a和M2b的栅极相接，Mlb的漏极与M11的漏极相接，M11的漏极和栅极相接，M11和M12的栅极相接，Ma2的漏极与Mn的源极相接，M2b的漏极与M9的漏极相接，M9的漏极和栅极相接，M9和Mltl的栅极相接，Mai的漏极与M9的源极相接。
[0009]所述双端转单端单元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、晶体管Mb1、晶体管mB2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号Vw和Vffi转换为单端信号I，作为放大器的输出。其中，M3的栅极和漏极相接，M3和M5的栅极相接，Mbi的漏极与M3的源极相接，M4的栅极和漏极相接，晶体管M4和M6的栅极相接，Mb2的漏极与M4的源极接接，M7的栅极和漏极相接，M7与M8的栅极相接。
[0010]所述晶体管Ma1、Ma2、Mb1、Mb2均起电流控制可变电阻的作用，MA1、MA2、MB1、MB2的等效电阻随着电流的增大而増大。
[0011]有益效果:
[0012]本发明的増益和摆率增强型放大器与传统的运算跨导放大器相比，具有以下特点:
[0013]1.本发明电路利用带有源极负反馈电阻的电流镜，在静态时可提高放大器的増益和带宽，大信号输入时可提高放大器的摆率。因此，本发明电路在不显著增加电路功耗的情况下，可以得到更高的増益、带宽和摆率，与文献I的常规放大器比较，本发明的电路的增益提高了 5dB，摆率提高了 5倍，带宽提高1.7倍。
[0014]2.本发明电路仅增加4个器件，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，可显著提高放大器在静态和大信号输入时的性能，得到了更好的优值，其中，FoMl[MHzXpF/mA]从
4.65提高至IJ 6.22,FoM2[(V/u s) XpF/mA]从1.61提高至Ij 6.94，因此，本发明电路可以采用较低的功耗达到相同的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为文献I所述的电流镜跨导放大器电路图；
[0016]图2为本发明的一种高增益、摆率增强型放大器电路图；
[0017]图3为本发明电路中使用的电流控制可变电阻示意图；
[0018]图4为本发明电路的放大器与文献I的放大器的摆率曲线对比图；
[0019]图5为本发明电路的放大器与文献I的放大器的増益和相位曲线对比图。
【具体实施方式】
[0020]本发明的【具体实施方式】不仅限于下面的描述，现结合附图加以进ー步说明。
[0021]本发明的一种增益和摆率增强型放大器的电路图如图2所示，它由差分输入级和双端转单端单元组成，其具体结构和连接关系、作用关系与本说明书的
【发明内容】
部分相同，此处不再重复。其中A、B、C和D表示各条支路的电流比值。它的工作原理如下:
[0022]首先分析静态工作情况。晶体管MA1、MA2、Mbi和Mb2的栅极偏置电压为VBN，在静态工作时处于深线性区，起到小电阻的作用。在电流较小时，其对电流镜像的影响可以忽略；在电流增大时，晶体管MA1、MA2、MB1和Mb2的等效电阻増大，导致电流镜像器件栅源电压増大，从而增大镜像电流的大小。输入级分裂为四个并联器件(Mla和Mlb、M2a和M2b)，M9导通Mlb的电流，M11导通M2b的电流，M10和M12可以看做压控电流源，旁路Mla和M2a的电流，从而减小M3和M4的静态电流。静态情况下，M2a的部分电流流入M12 (提高第一级的增益)，如果保持A/B不变，则同时可以降低输出级的静态电流。小信号变化吋，晶体管Mai和Ma2电流仅为 D/2 (B+C+D)，晶体管 Mbi 和 Mb2 的电流仅为(B-C) /2 (B+C+D)，晶体管 Ma1、MA2、Mbi 和 Mb2 上的压降均很小，晶体管MaiヽMA2、Mbi和Mb2上的压降对电流镜像的影响可以忽略。如果Vp增加 Vin/2,则 M2a 电流减小 gm2aXVin/2, M2b 电流减小 gm2bXVin/2 (保持 gm2a+gm2b=gm2=gml=gm,in)°M9-M1。形成电流镜，镜像比例为C/D，则Mltl电流减小gm2bXVin/2XC/D，同理可推得M12电流增加gm2bXVin/2XC/D，M4电流减小(gm2a_gm2bXC/D) X Vin/2，经过镜像得到由Vp输入端引起输出电流变化量为(gm2a+gm2bXC/D) XVin/2XA/B,同理Vn输入端引起电流变化量与Vp输入端引起输出电流变化量等大反相，可表示为:
【权利要求】
1.一种增益和摆率增强型放大器，其特征在于它包括: ー个差分输入级单元，包括PMOS管Mq、PM0S管Mla、PM0S管Mlb、PM0S管M2a、PM0S管M2b、PMOS管M9?M12和晶体管Ma1、晶体管MA2，将输入差分信号Vn和Vp进行对称的差分放大；和 一个双端转单端単元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、晶体管Mb1、晶体管Mb2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号Vm和N02转换为单端信号\，作为增益和摆率增强型放大器的输出。
2.根据权利要求1所述的增益和摆率增强型放大器，其特征在于，所述差分输入级单元，包括 PMOS 管 M0、PMOS 管 Mla, PMOS 管 Mlb, PMOS 管 M2a, PMOS 管 M2b、PMOS 管 M9 ?M12 和晶体管Ma1、晶体管Ma2，将输入差分信号Vn和Vp进行对称的差分放大。其中，PMOS管Mtl的源极与Vdd相接，M0的漏极与PMOS管Mla、Mlb与M2a、M2b的源极相接，M0的栅极连接偏置电压VBP，构成尾电流源，Mla与Mlb的栅极相接，M2a和M2b的栅极相接，Mlb的漏极与M11的漏极相接，M11的漏极和栅极相接，M11和M12的栅极相接，Ma2的漏极与M11的源极相接，M2b的漏极与M9的漏极相接，M9的漏极和栅极相接，M9和Mltl的栅极相接，Mai的漏极与M9的源极相接。
3.根据权利要求1所述的增益和摆率增强型放大器，其特征在于，所述双端转单端单元，包括NMOS管M3?M6、PM0S管M7、PM0S管M8、晶体管Mb1、晶体管MB2，形成带有源极负反馈电阻的电流镜，通过电流镜像将双端信号Vm和Vtj2转换为单端信号作为放大器的输出。其中，M3的栅极和漏极相接，M3和M5的栅极相接，Mbi的漏极与M3的源极相接，M4的栅极和漏极相接，晶体管M4和M6的栅极相接，Mb2的漏极与M4的源极接接，M7的栅极和漏极相接，M7与M8的栅极相接。
4.根据权利要求1所述的增益和摆率增强型放大器，其特征在于，所述晶体管MA1、MA2、Mbi> Mb2均起电流控制可变电阻的作用，Ma1、Ma2、Mb1、Mb2的等效电阻随着电流的增大而増大。
【文档编号】H03F3/45GK103457553SQ201310365736
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】黄晓宗, 石建刚, 刘伦才, 王健安, 黄文刚 申请人:中国电子科技集团公司第二十四研究所