应用于输出级为反相器结构的衬底调制共模反馈电路的制作方法

本发明涉及一种共模反馈电路，特别是一种应用于输出级为反相器结构的衬底调制共模反馈电路。

背景技术

差分输入输出运算放大器的输出端的共模电压由于工艺偏差或者其他因素，在生产过程中通常不能达到预期的电压值，需要共模反馈电路将输出差分信号的平均值，即共模电压，调节至预期电压。

两级运算放大器通常每一级都会采用一个共模反馈电路来稳定本级的输出共模电平。同时，运算放大器的输出级通常要求能够提供大的输出范围，但随着电源电压的逐渐降低，输出级，级联较多mos管会降低电压输出范围。运算放大器的第二级采用反相器结构，可使运放的输出级级联较少的mos管，从而可以使运放在低电源电压结构中，仍可以处于正常工作状态，达到较大的输出范围。

传统的两级运算放大器，每一级运放都会有各自独立的共模反馈电路来调节本级运放的输出共模，而每一个共模反馈电路都需要输入一个共模电平，该共模电平是本级输出最终需要调节稳定到的理想电平，所以传统结构共需要两个特定产生的电平。同时，因为第一级的输出需要为第二级的输入管提供偏置，所以第一级需要输出一个特定的电压，使输入管产生的电流与尾电流管提供的电流相等。但实际设计或生产过程中，第一级输出的共模电平不可能精确提供，所以，会使第二级输入管的电流与尾电流管的电流不相等，最终，在第二级运放共模反馈电路的调节下，会使第二级运放的尾电流管提供的电流向输入管电流趋近，偏离设计时的预期电流。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于输出级为反相器结构的衬底调制共模反馈电路，改善电路结构，只采用一级共模反馈，从而减少产生特定电压的电路的个数，优化电路结构；同时，改变运放第二级共模调节端，保证第二级偏置电流稳定在预期理想电流附近。

本发明的技术解决方案是：应用于输出级为反相器结构的衬底调制共模反馈电路，包括：连接第一、二级运放的共模反馈电路、产生衬底调制电压的反馈环路，其中：

反馈环路包括电荷泵1电路、电荷泵2电路、运算放大器1、运算放大器2、电路3，电路3包括第一场效应管p1，与第一场相应管相连的第二场相应管p2，与第二场效应管相连的第三场效应管n1，两级运算放大器的共模输出由反馈环路产生的输出电压v_up、v_dn配合连接运算放大器1、运算放大器2的共模反馈电路调节，运算放大器1、运算放大器2的第二级采用反相器结构。

所述的电路3包括两个输入端vp、vn，两个输出端vop、von，放大器1包括一个正输入端vp1、一个负输入端vn1、一个输入端vout1，放大器2包括一个正输入端vp2、一个负输入端vn2、一个输入端vout2，，电荷泵1实现电压乘2功能，包括一个输入端vup，一个输出端v_up，电荷泵实现乘-1功能，包括一个输入端vdn、一个输出端v_dn。

所述的输出电压v_up、v_dn对应的反相器运放包括第四场效应管p3、第五场效应管p4、第六场效应管n2、第七场效应管p5以及第八场效应管n3。

所述的第四场效应管p3的源级接电源，栅级接外部提供的偏置电压，漏级接第五场效效应管p4和第七场效应管p5源级，第五场效应管p4的栅级接第六场效应管n2的栅级，漏级接第六场效应管n2漏级，第六场效应管n2的源级接地，第七场效应管p5的栅级接第八场效应管n3的栅级，漏级接第八场效应管n3的漏级，第八场效应管n3的源级接地。

所述的电路3包括第一场效应管p1、第二场效应管p2以及第三场效应管p3；其中，第一场相应管p1的源级接电源电压，栅级接外界提供的偏置电压，漏级接第二场效应管p2的源级；第二场效应管p2的栅级与漏级相接，并连接第三场效应管n1的漏级；第三场效应管的栅级与漏级连接，源级接地。

所述的输入端vp输入电压量，连接第二场效应管p2的衬底，输入端vn输入电压量，连接第三场效益管n1的衬底，第一场效管p1的漏级连接输出端vop，提供输出电压量，第二场效应管p2的漏级连接输出端von，提供输出电压量。

所述的电荷泵1的v_up连接电路3的vp，电荷泵2的v_dn连接电路3的vn，电路3的vop连接运算放大器1的vm1，电路3的von连接运算放大器2的vm2，运算放大器1的vp1接外部输入恒定电平vb1，运算放大器2的vp2接外部输入恒定电平vb2，运算放大器1的vout1接电荷泵1的vup，运算放大器2的vout2接电荷泵2的vdn，其中，v_up和v_dn作为整个反馈环路的输出，输出到运算放大器第二级的反相器结构中作为衬底调制电压。

所述的输入恒定电平vb1是运算放大器1第二级反相器结构中第四场效应管p3的漏端期望达到的电平，输入恒定电平vb2是运算放大器2第二级反相器结构的输出共模期望达到的电平。

所述连接第一、二级运放的反馈电路的功能为检测运放第二级的共模输出，并与理想共模进行比较，产生控制信号，调节第一级运放共模输出电压。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过只在第一二级运放之间连接一个共模反馈电路，相较于两级运放的传统共模反馈结构，具有共模反馈电路主结构的复杂程度小的优点；

(2)本发明通过将反馈调节端置于第一级运放的尾电流源的漏端，相较于传统结构置于每级运放的尾电流源的栅端，具有调节共模电平时调节过程更稳定的优点；

(3)本发明通过增加了衬底调制模块，解决了只采用一个共模反馈主电路只能够调节一级运放共模输出的问题，使第二级运放共模输出稳定在期望值附近时，第一级的共模输出也能够稳定在期望值附近。

附图说明

图1为传统共模反馈电路及其调节的两级运放结构示意图；

图2为本发明共模反馈电路及其调节的输出级为反相器结构的两级运放结构示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种应用于输出级为反相器结构的两极运放的衬底调制共模反馈电路，包括连接第一、二级运放的共模反馈电路以及产生衬底调制电压的反馈环路。产生衬底调制电压的反馈环路包括电荷泵1电路、电荷泵2电路、运算放大器1、运算放大器2以及电路3。其中，电路3包括第一场效应管p1，与第一场相应管相连的第二场相应管p2，以及与第二场效应管相连的第三场效应管n1。

两级运算放大器的共模输出由反馈环路产生的输出电压v_up、v_dn配合连接第一、二级运放的共模反馈电路调节。

运算放大器的第二级采用反相器结构，可使运放的输出级级联较少的mos管，从而可以使运放在低电源电压结构中，仍可以处于正常工作状态，达到较大的输出范围。

传统的两级运算放大器，每一级运放都会有各自独立的共模反馈电路来调节本级运放的输出共模，而每一个共模反馈电路都需要输入一个共模电平，该共模电平是本级输出最终需要调节稳定到的理想电平，所以传统结构共需要两个特定产生的电平。同时，因为第一级的输出需要为第二级的输入管提供偏置，所以第一级需要输出一个特定的电压，使输入管产生的电流与尾电流管提供的电流相等。但实际设计或生产过程中，第一级输出的共模电平不可能精确提供，所以，会使第二级输入管的电流与尾电流管的电流不相等，最终，在第二级运放共模反馈电路的调节下，会使第二级运放的尾电流管提供的电流向输入管电流趋近，偏离设计时的预期电流。

本发明相较于两级运放的传统共模反馈结构，只需要一个连接运放第一、二两级运放的共模反馈电路，因而，只需要一个特定电压产生电路，来产生一个共模电平，减小了共模反馈模块的电路复杂程度。同时，本发明因为反馈调节端并不在第二级运放尾电流管的栅级，所以，第二级能够稳定在预期理想偏置电流附近，不会发生太大变化。下面结合附图对本发明方法进行详细的解释和说明。

如图1所示为传统共模反馈电路及其调节的两级运放结构示意图，如图2所示为本发明共模反馈电路及其调节的输出级为反相器结构的两级运放结构示意图，本发明共模反馈电路较佳的实施方式包括：连接第一、二级运放的模反馈电路以及产生衬底调制电压的反馈环路，该反馈环路包括电荷泵1电路、电荷泵2电路、运算放大器1、运算放大器2以及电路3，其中电路3包括第一场效应管p1，与第一场相应管相连的第二场相应管p2，以及与第二场效应管相连的第三场效应管n1。

1)该电路的具体连接关系如下

运放第二级反相器结构电路内部，第四场效应管p3的源级接电源，栅级接外部提供的偏置电压，漏级接第五场效效应管p4和第七场效应管p5的源级；第五场效应管p4的栅级接第六场效应管n2的栅级，漏级接第六场效应管n2的漏级；第六场效应管n2的源级接地；第七场效应管p5的栅级接第八场效应管n3的栅级，漏级接第八场效应管n3的漏级；第八场效应管n3的源级接地。

电路3内部，第一场相应管p1的源级接电源电压，其栅级接外界提供的偏置电压，漏级接所述第二场效应管p2的源级；第二场效应管p2的栅级与漏级相接，并连接所述第三场效应管n1的漏级；第三场效应管的栅级与漏级连接，源级接地。

反馈环路内部，电荷泵1的v_up连接电路3的vp，电荷泵2的v_dn连接电路3的vn，电路3的vop连接放大器1的vm1，电路3的von连接放大器2的vm2，放大器1的vp1接外部输入恒定电平vb1，放大器2的vp2接外部输入恒定电平vb2，放大器1的vout1接电荷泵1的vup，放大器的vout2接电荷泵2的vdn，以此构成一个反馈环路，其中，v_up和v_dn作为整个反馈环路的输出，输出到运放第二级的反相器结构中作为衬底调制电压。

2)该电路中的场效应管的类型如图中所示：第一场效应管p1、第二场效应管p2、第四场效应管p3、第五场效应管p4、第七场效应管p5为p型mos管；第三场效应管n1、第六场效应管n2、第八场效应管n3为n型mos管。

3)其配置需要满足如下条件：p1栅压与p3栅压相同。

假设p1、p2、p3、p4、p5、n1、n2以及n3的宽长比分别为kp1、kp2、kp3、kp4、kp5、kn1、kn2以及kn3，则其宽长比需满足如下条件：kp3＝2m*kp1，kp4＝kp5＝m*kp2，kn2＝kn3＝m*kn1。其中，m取整数。

4)参阅图2。

5)该电路工作原理如下

nmos阈值电压为

vthn＝vth0+υ(|2φf+vsb|1/2-|2φf|1/2)

由上述公式可知，nmos的阈值电压随衬底电压的降低而升高；同理，pmso的阈值电压随衬底电压的升高而升高。

电路3内部p1的栅极接外部提供的恒定电压vb，产生恒定的偏置电流。

输出端von需要达到的预期理想电平为放大器的正输入端输入电平vb2，若von>vb2，则vout2降低到较小值，电荷泵输出电平v_dn也相应升高(v_dn＝-vout2)，则输入到第二场效应管n1的衬底电平升高，相应的其阈值电压降低，为保证流过的电流不变，n1的vgs降低，因为vs不变，所以vg降低，vg即为von。同理，当输出端von低于理想电平时，通过反馈环路的调节，von会升高。

输出端vop需要达到的预期理想电平为放大器的正输入端输入电平vb1，若vop>vb1，则vout1降低到较小值，电荷泵输出电平v_up也相应降低，则输入到第二场效应管p2的衬底电平降低，相应的其阈值电压降低，为保证流过的电流不变，p2的|vgs|降低，因为vg不变，所以vs降低，vs即为vop。同理，当输出端vop低于理想电平时，通过反馈环路的调节，vop会升高。

经过上述分析可知，通过反馈环路的调节，vop会稳定在vb1附近，von会稳定在vb2附近。

当von，vop稳定时，第二场效应管p2和第三场效应管n3的栅极也均稳定在vb2，即当前使输出共模电压稳定在vb2的条件是：输入当前的v_dn、v_up作为反相器运放输入管的衬底电压，并且栅极输入电平为vb2。

若输出级在当前v_dn和v_up的衬底偏置条件下为稳定在vb2，则连接第一、二级运放的共模反馈会将第一级的输出共模调节到vb2，从而调节第二级的输出共模到vb2。

该电路仅通过一级共模反馈就能将两级运放的每一级输出均稳定到合理且相同的共模电平。