基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路的制作方法

本发明属于模拟集成电路设计领域，特别涉及一种基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性运算放大器电路。

背景技术：

近年来，电子技术的发展对电子系统的稳定性提出了越来越高的要求，例如应用于汽车、航天等领域的芯片需要覆盖-40～125℃的工作温度范围，这就对芯片的温度鲁棒性提出了很大的挑战。而模拟芯片作为一个完整系统中不可或缺的部分，它通常会使用到大量的运算放大器，因此提升运算放大器的温度鲁棒性对于提升整个系统温度鲁棒性有着非常大的帮助。目前已经有一些方法被用于提升运算放大器的温度鲁棒性。

一种方法是在芯片中增加温度传感器，通过温度传感器感知芯片温度，进而根据温度信息调节放大器的工作状态，实现所要求温度范围内的高温度鲁棒性。在理想情况下，这种方法能够保证放大器在任何温度范围内都保持在正确的工作状态，因此这种方法能够实现非常大的温度范围和很好的温度鲁棒性。但是这种方法需要增加额外的温度传感器，这不可避免的会带来额外的功耗和芯片面积。另一种方法是在放大器中增加反馈环路，若放大器的工作状态随温度发生变化，则反馈环路能够检测到该变化，并反馈到放大器，从而实现对放大器工作状态的调整，并且反馈环路的反馈系数越大，放大器的温度鲁棒性越好。但这种方法也存在几个不足之处：第一，由于加入了反馈环路，所以会存在环路稳定性的问题；第二，环路的温度特性也胡影响放大器的温度鲁棒性；第三，增加反馈环路会带来额外的功耗和芯片面积。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于为克服已有技术的不足，提出了一种基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路，本发明在于采用常数过驱动偏置给运算放大器提供偏置电压，使得放大器中mos晶体管的过驱动电压和本征增益几乎不随温度发生变化，从而提升放大器的温度鲁棒性；同时，本发明所提出的常数过驱动偏置是一个非常精简的自偏置电路，相比于放大器消耗的功耗和芯片面积，该偏置电路所消耗的功耗和芯片面积几乎可以忽略不计；此外，该偏置电路与放大器电路是协同设计的，它们在版图上非常靠近，因此偏置电路和放大器电路的工艺角偏差是相同的，因此该偏置还能提升放大器的工艺角鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性运算放大器电路，该电路包括两级密勒运算放大器电路、共模反馈电路以及常数过驱动偏置电路；

所述两级密勒运算放大器电路由两级差分共源放大器和级间补偿电路组成，所述两级差分共源放大器的第一级是一个全差分共源放大器，由尾电流管、放大管和负载管组成；所述两级差分共源放大器的第二级是一个差分共源放大器，由放大管和负载管组成；级间补偿电路由电阻和电容串联而成，用来补偿两级差分共源放大器的相位裕度；

所述共模反馈电路由共模电压取值电路和一个误差放大器组成，所述共模电压取值电路由两个相同的电阻和两个相同的电容并联而成，该共模电压取值电路一方面可以消除输出交流信号，取出直流信号，另一方面还能够引入一个负零点，用来补偿共模环路反馈环路的相位裕度；所述误差放大器是差分共源放大器，由尾电流管、放大管和负载管组，其中负载管是二极管接法的mos晶体管；

所述常数过驱动偏置是由一个自偏置电路和一个电压跟随器组成，所述自偏置电路由一个电阻、两条栅极相连的电流镜支路和一个启动mos晶体管组成，其中通过调节电阻和两条电流镜的比例可以实现输出偏置电压的调节；电压跟随器由一个放大管和一个负载管构成，其中负载管是二极管接法的mos晶体管；

上述各元器件的连接关系为：自偏置电路的输出端连接到电压跟随器放大管的栅极，由电压跟随器负载管的相连接的栅极和漏极输出偏置电压，该偏置电压连接到第一级全差分共源放大器的尾电流管的栅极、第二级差分共源放大器的负载管的栅极以及误差放大器的尾电流管的栅极；差分输入信号连接到第一级全差分共源放大器的放大管的栅极，经过第一级全差分共源放大器的放大后，由第一级全差分共源放大器的负载管的漏极输出；第一级全差分放大器的输出连接到第二级全差分放大器放大管的栅极，信号经过第二级差分放大器的放大后，由第二级差分共源放大器的负载管的漏极输出；第二级差分共源放大器的负载管的漏极输出接在共模电压取值电路上，得出共模电压，共模电压接在误差放大器正极放大管的栅极，误差放大器负极放大管的栅极接参考电压，误差放大器的负极输出端接在第一级全差分共源放大器负载管的栅极，形成共模反馈环路。

本发明的技术特点及有益效果：

1、提升运算放大器的温度鲁棒性，常数过驱动偏置能够产生一个使mos晶体管过驱动电压几乎不随温度发生变化的偏置电压，这种常数过驱动偏置能够保证mos晶体管的本征增益几乎不随温度产生变化，从而使得运算放大器的开环增益不随温度变化，因此能够实现良好的温度鲁棒性；

2、不会增加额外的功耗、芯片面积和芯片复杂度，本发明所提出的常数过驱动偏置是一个非常精简的自偏置电路，它的功耗相比于放大器的功耗几乎可以忽略不计，同时该偏置电路与放大器是协同设计的，因此该偏置电路完全融入到放大器中，不会增加额外的芯片面积；

3、提升放大器工艺角鲁棒性，该偏置电路与放大器电路是协同设计的，它们在版图上非常靠近，因此偏置电路和放大器电路的工艺角偏差是相同的，因此该偏置还能提升放大器的工艺角鲁棒性。

附图说明

图1为基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路；

图2为不同偏置下的尾电流管过驱动电压随温度变化关系；

图3为不同偏置下的放大器开环增益随温度变化关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚明确，下面结合附图对具体实施方式进行详细说明与描述。

本发明提出的一种基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路，其电路结构如图1所示，该电路由两级密勒运算放大器电路、共模反馈电路以及常数过驱动偏置电路组成；所述两级密勒放大器由两级差分共源放大器和级间补偿电路组成，其中级间补偿电路由电阻电容组成，用来提升放大器的相位裕度；所述共模反馈电路由共模电压取值电路和一个误差放大器组成，其中共模电压取值电路由电阻、电容组成，误差放大器是差分共源放大器；所述常数过驱动偏置是由一个自偏置电路和一个电压跟随器组成。具体连接方式如下：

两级密勒运算放大器电路coreamp，由晶体管m0、m1a、m1b、m2a、m2b、m3a、m3b、m4a、m4b，电阻rca，rcb和电容cca，ccb构成，其中晶体管m0、m1a、m1b、m4a、m4b是pmos晶体管，晶体管m2a、m2b、m3a、m3b是nmos晶体管。pmos晶体管m0的栅极接偏置电压vb0，m0的源极接电源vdd，m0的漏极接公共端x；pmos晶体管m1a的栅极接输入信号的正极，m1a的源极接公共端x，m1a的漏极接nmos晶体管m2a的漏极；pmos晶体管m1b的栅极接输入信号的负极，m1b的源极接公共端x，m1a的漏极接nmos晶体管m2b的漏极；nmos晶体管m2a、m2b的栅极共同接反馈电压vfb，m2a、m2b的源极均接地gnd，m2a的漏极接m1a的漏极，m2b的漏极接m1a的漏极；nmos晶体管m3a、m3b的源极均接地gnd，m3a的栅极接m2a的漏极，m3b的栅极接m2b的漏极，m3a的漏极接m4a的漏极，m3b的漏级接m4b的漏级；pmos晶体管m4a、m4b的栅极共同接偏置电压vb0，m4a、m4b的源级共同接电源vdd，m4a的漏级接m3a的漏级，m4a和m3a的漏级命名为输出信号的正极voutp，m4b的漏级接m3b的漏级，m4b和m3b的漏级命名为输出信号的负极voutn。

共模反馈电路cmfb，由mos晶体管m5、m6、m7、m8、m9，电阻rfa、rfb和电容cfa、cfb组成，其中晶体管m5、m6、m7是pmos晶体管，晶体管m8、m9是nmos晶体管。电容cfa、cfb的一端分别接运算放大器的voutp、voutn端口，电容cfl、cf2另一端接共同接pmos晶体管m6的栅极；电阻rfa、rfb的一端分别接运算放大器的voutp、voutn端口，电阻rfa、rfb另一端共同接m6的栅极；pmos晶体管m5的栅极接偏置电压vb0，m5的源级接电源vdd，m5的漏级接m6的源级；pmos晶体管m6的漏级接nmos晶体管m8的漏级；pmos晶体管m7的栅极接参考电压vref，m7的源级接m5的漏级，m7的漏级接m9的漏级；nmos晶体管m8的漏级接m6的漏级，m8的栅极和漏级相接作为反馈电压vfb，m8的源级接地；nmos晶体管m9的漏级接m7的漏级，m9的栅极接m9的漏级，m9的源级接地。

偏置电路bias，由mos晶体管m10、m11、m12、m13、m14、m15、m16、以及电阻rs组成，其中晶体管m10、m11、m17是pmos晶体管，晶体管m12、m13、m14、m15是nmos晶体管。电阻rs的一端接电源vdd，电阻rs另一端接pmos晶体管m10的源级，m10的栅极接pmos晶体管m11的栅极，m10的漏级接nmos晶体管m13的漏级，m13的漏级和栅极接一起，共同接m10的漏级，m13的源级接地；nmos晶体管m14的栅极接m13的栅极，m14的源级接地，m14的漏级接m11的漏级，m11的源级接电源vdd，m11的栅极和漏级接一起，共同接到m10的栅极；nmos晶体管m12的栅极和漏级接一起，共同接到m11的栅极，m12的源级接m13的栅极；nmos晶体管m15的栅极接m14的漏级，m15的源级接地，m15的漏级接pmos晶体管m16的漏级，m16的漏级和栅极接一起作为偏置电压vb0，m17的源级接电源vdd。

本发明的基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路的实施例说明如下：

本实施例采用65nmcmos工艺(为本领域的常规制备工艺)制备基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路，其仿真结果由图2、图3给出。

图2给出了两级密勒运算放大器采用电压源偏置、电流源偏置以及本发明所提出的常数过驱动偏置时尾电流mos晶体管的过驱动电压随温度的变化关系，可以看到，在采用本发明所提出的常数过驱动偏置时，两级密勒运算放大器的尾电流mos晶体管的过驱动电压随温度变化是最小的。图3给出了两级密勒运算放大器采用电压源偏置、电流源偏置以及本发明所提出的常数过驱动偏置时增益随温度的变化关系，可以看到，在采用本发明所提出的常数过驱动偏置时，两级密勒运算放大器的增益随温度变化是最小的。

综上，本发明可提升运算放大器的温度鲁棒性。

以上实施例验证了本发明的正确性和实效性。以上所述仅为本发明在具体cmos工艺下与具体增益和频段下的基于常数过驱动偏置的高温度鲁棒性的运算放大器电路，并非用于限定本发明的保护范围。