專利名稱：采用mos器件實(shí)現(xiàn)的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。特別涉及一種新型的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)年代以來，隨著亞微米、超深亞微米技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)芯片技術(shù)的日益成熟，采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品獲得了迅猛發(fā)展和快速普及。由于電池技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上與電子系統(tǒng)的發(fā)展，從心臟起搏器到助聽器、移動(dòng)電話和各種各樣產(chǎn)品都對電子產(chǎn)品的供電電壓提出了嚴(yán)格的限制。另一方面，隨著器件尺寸不斷的縮小，工藝的擊穿電壓也在降低，亦對電源電壓提出了嚴(yán)格的限制。電子器件性能要求越來越高，開發(fā)周期越來越短，對開發(fā)與生產(chǎn)成本的制約也日趨嚴(yán)格，使低壓模擬集成電路受到了極大的關(guān)注。運(yùn)算放大器是模擬電路中最重要的電路單元，廣泛應(yīng)用于模擬電路和混合信號處理電路中，如開關(guān)電容，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。但是由于晶體管的閾值電壓并不隨著特征尺寸的減小而線性減小，所以在低電源電壓環(huán)境下，運(yùn)算放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)大大減小。 為了提高運(yùn)放的性能，增大電路處理信號的帶寬范圍，就必須對傳統(tǒng)的折疊共源共柵運(yùn)放進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，這就促成了各種新型的低功耗寬帶放大器的產(chǎn)生與發(fā)展。近十年來，低功耗寬帶運(yùn)算放大器已大量涌現(xiàn)，各大公司也紛紛推出自己相應(yīng)的產(chǎn)品。其應(yīng)用十分廣泛，可用在DVD播放器、聲卡、手機(jī)、系統(tǒng)、傳感器等各種電路當(dāng)中。傳統(tǒng)的折疊共源共柵放大器主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)(1)輸入共模范圍較寬。( 具有較高的低頻增益和較寬的帶寬。(3)輸出電壓可以達(dá)到電源電壓正負(fù)兩級。傳統(tǒng)的折疊共源共柵放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入級由兩個(gè)PMOS管P1、 P2組成，其將正反兩個(gè)方向的電流同時(shí)折疊流經(jīng)N3和N4的漏極到正負(fù)輸出端。但是，NMOS 管m和N2都只是起到電流源的作用，因此傳統(tǒng)的折疊共源共柵放大器存在以下不足1.相比于其他類型的放大器，其靜態(tài)功耗高。2.電流源m和N2只是充當(dāng)電流源，未被用來傳輸小信號電流是一種“浪費(fèi)”。3.在功耗要求嚴(yán)格的情況下，難以達(dá)到高帶寬的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足，提出一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器，其特征在于，所述低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器采用MOS工藝實(shí)現(xiàn)，包括分流輸入級、放大回收電流中間級以及軌到軌輸出級；所述分流輸入級由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管Nlb、N2b組成；所述放大回收電流中間級由四個(gè)電流鏡組成，其中NMOS管N4、N6、N7組成第一電流鏡，NMOS管N8、N10、N11 組成第二電流鏡，PMOS管P4、P6、P7組成第三電流鏡，PMOS管P8、P10、Pll組成第四電流鏡；所述軌到軌輸出級由NMOS管N5、N9和PMOS管P5、P9組成；所述低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，該小信號電流通過由N7、N4、N6連接組的成第一電流鏡被放大K 倍，然后通過N5的漏極流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，正向輸入信號通過輸入管Wb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，該小信號電流通過由P7、P4、P6連接組成第三電流鏡被放大K倍， 然后通過P5的漏極也流向負(fù)向輸出端；負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，該小信號電流通過由N8、N10, Nll連接組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過N9的漏極流向正向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，該小信號電流通過由P8、P10、P11連接組成的第四電流鏡被放大K倍， 然后通過P9的漏極也流向正向輸出端。其中的各個(gè)MOS器件可采用常規(guī)MOS晶體管，也可以采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件以進(jìn)一步提高該電路的性能。本發(fā)明的有益效果是新型的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)1.在不明顯增加功耗的情況下，提高三倍以上帶寬。2.增加了放大器的低頻增益。3.在低電壓的環(huán)境下，增加輸入/輸出信號的幅度。4.增加了放大器的大信號擺率并減小了小信號建立時(shí)間。


圖1為傳統(tǒng)折疊共源共柵放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的新型低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的新型低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的頻域仿真結(jié)果對比圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器，如圖2所示， 包括分流輸入級、放大回收電流中間級以及軌到軌輸出級；所述分流輸入級主要是由PMOS 管Pla、P2a以及NMOS管mb、N2b組成；所述分流輸入級由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管 Nib, N2b組成；所述放大回收電流的中間級由四個(gè)電流鏡組成，其中NMOS管N4、N6、N7組成第一電流鏡，NMOS管N8、N10, Nll組成第二電流鏡，PMOS管P4、P6、P7組成第三電流鏡， PMOS管P8、P10、Pll組成第四電流鏡；所述軌到軌輸出級由匪OS管N5、N9和PMOS管P5、 P9組成。在圖2中，所述低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，該小信號電流通過由N7、N4、N6連接組的成第一電流鏡被放大K倍，然后通過N5的漏極流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，正向輸入信號通過輸入管Wb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，該小信號電流通過由P7、P4、P6連接組成第三電流鏡被放大K倍，然后通過P5的漏極也流向負(fù)向輸出端；負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，該小信號電流通過由N8、N10, Nll連接組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過N9的漏極流向正向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，該小信號電流通過由P8、P10、Pll連接組成的第四電流鏡被放大K倍，然后通過P9的漏極也流向正向輸出端。其中的各個(gè)MOS器件可采用常規(guī)MOS 晶體管，也可以采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件以進(jìn)一步提高該電路的性能。
在圖2所示的采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的實(shí)施例電路圖中，輸入級由兩個(gè)PMOS管Pla、P2a和兩個(gè)NMOS管ma、N2a組成，其中為了保持PMOS管與匪OS管跨導(dǎo)一致，PMOS管的尺寸是匪OS管的尺寸的兩倍。同時(shí)，NMOS管N7、N6的柵極、N4 的漏極與輸入級的Pla管漏極連接，NMOS管附0、Nil的柵極、N8的漏極與與輸入級的Ph 管漏極連接，PMOS管P7、P6的柵極、P4的漏極與輸入級的Nlb管漏極連接，PMOS管P8的漏極、P10、P11的柵極與輸入級的N2b管漏極連接。另外，PMOS管P13的漏極與P6的漏極相連，P12的漏極與Pll的漏極相連，P12和P13的柵極一起與共模反饋放大電路CMFB相連， 從而使得放大器的輸出端的直流電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定值上。圖3為本發(fā)明的新型的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器與傳統(tǒng)折疊共源共柵放大器的頻響仿真結(jié)果對比圖。從圖中可以看出，本發(fā)明的新型的放大器的帶寬相比于傳統(tǒng)折疊共源共柵放大器提高了三倍。同時(shí)，低頻增益仍然略有提高。
權(quán)利要求
1.一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器，其特征在于，所述低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器采用MOS工藝實(shí)現(xiàn)，包括分流輸入級、放大回收電流中間級以及軌到軌輸出級；所述分流輸入級由PMOS管Pla、P2a以及NMOS管Nlb、N2b組成；所述放大回收電流中間級由四個(gè)電流鏡組成，其中NMOS管N4、N6、N7組成第一電流鏡，NMOS管N8、N10, Nll組成第二電流鏡，PMOS管P4、P6、P7組成第三電流鏡，PMOS管P8、P10、Pll組成第四電流鏡； 所述軌到軌輸出級由NMOS管N5、N9和PMOS管P5、P9組成；所述低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器的正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，該小信號電流通過由N7、N4、N6連接組的成第一電流鏡被放大K倍，然后通過N5的漏極流向負(fù)向輸出端；同時(shí)，正向輸入信號通過輸入管Nlb將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，該小信號電流通過由P7、P4、P6連接組成第三電流鏡被放大K倍，然后通過P5的漏極也流向負(fù)向輸出端；負(fù)向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉(zhuǎn)換成向上的小信號電流，該小信號電流通過由N8、N10, Nll連接組成的第二電流鏡被放大K倍，然后通過N9的漏極流向正向輸出端；同時(shí)，負(fù)向輸入信號通過輸入管N2b將電壓信號轉(zhuǎn)換成向下的小信號電流，該小信號電流通過由P8、P10、Pll連接組成的第四電流鏡被放大K倍，然后通過P9的漏極也流向正向輸出端。其中的各個(gè)MOS器件可采用常規(guī)MOS晶體管，也可以采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件以進(jìn)一步提高該電路的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器，其特征在于，所述組成分流輸入級的兩個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管跨導(dǎo)一致，PMOS管的尺寸是NMOS管尺寸的兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器，其特征在于，NMOS管N7、N6的柵極、N4的漏極與輸入級的Pla管漏極連接，NMOS管附0、Nll的柵極、N8的漏極與與輸入級的Ph管漏極連接，PMOS管P7、P6的柵極、P4的漏極與輸入級的Nlb管漏極連接，PMOS 管P8的漏極、P10、P11的柵極與輸入級的N2b管漏極連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種采用MOS器件實(shí)現(xiàn)的低功耗帶寬倍增運(yùn)算放大器，包括由兩個(gè)NMOS管和兩個(gè)PMOS管組成的分流輸入級，其將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并形成正反雙向小信號電流；由四個(gè)低壓電流鏡組成的放大回收電流的中間級，實(shí)現(xiàn)放大回收電流的作用；由四個(gè)PMOS管和四個(gè)NMOS管組成的軌到軌輸出級，實(shí)現(xiàn)信號的軌到軌輸出；本發(fā)明具有在不明顯增加功耗的情況下提高三倍以上帶寬的能力；增加低頻增益和大信號擺率；同時(shí)還可以工作在低電壓的環(huán)境中增加輸入/輸出信號幅度等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中的各個(gè)MOS器件可采用常規(guī)MOS晶體管，也可以采用高遷移率的應(yīng)變硅MOS器件，以進(jìn)一步提高該電路的性能。
文檔編號H03F3/45GK102158188SQ20111006108
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者方華軍, 梁仁榮, 王敬, 許軍, 趙曉 申請人:清華大學(xué)