本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及高增益運算放大器設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種運算放大器增益提高電路。

背景技術(shù)：

運算放大器作為大多數(shù)模擬電子電路設(shè)計的核心單元，增益和帶寬作為其最基本的指標(biāo)，嚴(yán)重影響著運算放大器的使用情況。很多應(yīng)用場景里都需要高增益、大帶寬的運算放大器，從而衍生出了很多高增益運算放大器設(shè)計技術(shù)，例如：折疊式運算放大器、套筒式運算放大器、多級運算放大器、增益自舉運算放大器等，這些技術(shù)在提高增益的同時卻也與大帶寬和低功耗折衷問題進行著艱苦的斗爭。

現(xiàn)有技術(shù)中，對于小范圍實現(xiàn)高增益、大帶寬設(shè)計通常是增大輸入等效跨導(dǎo)，但是在電流不變的情況下，輸入跨導(dǎo)與輸入管寬敞比成平方根的關(guān)系，即：需要增加寬長比4倍，才能提高輸入跨導(dǎo)2倍，嚴(yán)重影響增益提高效率，并且極大增加寄生參數(shù)的影響。因此，模擬電子電路工程設(shè)計中，迫切需要找到更加高效的增益提高技術(shù)，特別是能夠提高增益，但是又不影響運算放大器帶寬和功耗的技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提供一種運算放大器增益提高電路。本發(fā)明很好的克服提高增益與帶寬和功耗的折衷問題，在幾乎不消耗額外電路參數(shù)的情況下，有效提高運算放大器的增益。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種運算放大器增益提高電路，包括輸入PMOS管M1、輸入NMOS管M2、共柵NMOS管M3、負(fù)載電阻Rd、輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift和偏置電流源IBias，輸入信號Vin輸入到輸入PMOS管M1的柵極，輸入信號經(jīng)輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift輸入到輸入NMOS管M2的柵極，輸入PMOS管M1的源極接電源AVDD，輸入PMOS管M1的漏極分別與輸入NMOS管M2的漏極、共柵NMOS管M3的源極、偏置電流源IBias的輸入端連接，所述共柵NMOS管M3的漏極與負(fù)載電阻Rd的一端連接，負(fù)載電阻Rd的另一端接電源AVDD，所述輸入NMOS管M2的源極、偏置電流源的輸出端接地；所述共柵NMOS管M3的柵極接偏置電壓Vbias，所述負(fù)載電阻Rd與共柵NMOS管M3的漏極作為整個電路的輸出端。

進一步，所述輸入PMOS管M1、輸入NMOS管M2和共柵NMOS管M3都工作在飽和區(qū)。

進一步，所述輸入PMOS管M2的直流偏置電平與偏置電流源I_Bias的偏置電壓相同。

一種運算放大器增益提高電路，包括輸入PMOS管M1、輸入NMOS管M2、共柵NMOS管M3和負(fù)載電阻Rd，輸入信號Vin分別輸入到輸入PMOS管M1的柵極、輸入NMOS管M2的柵極，輸入PMOS管M1的源極接電源AVDD，輸入PMOS管M1的漏極分別與輸入NMOS管M2的漏極、共柵NMOS管M3的源極連接，所述共柵NMOS管M3的漏極與負(fù)載電阻Rd的一端連接，負(fù)載電阻Rd的另一端接電源AVDD，所述輸入NMOS管M2的源極接地；所述共柵NMOS管M3的柵極接偏置電壓Vbias，所述負(fù)載電阻Rd與共柵NMOS管M3的漏極作為整個電路的輸出端。

進一步，還包括輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift，輸入信號Vin經(jīng)輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift輸入到輸入PMOS管M1的柵極。

進一步，所述輸入PMOS管M1、輸入NMOS管M2和共柵NMOS管M3都工作在飽和區(qū)。

由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：

本發(fā)明能夠提高流過輸出節(jié)點的電壓變化量增加，從而提高有效輸入跨導(dǎo)，進而提高運算放大器增益。所述技術(shù)不需要增加輸入MOS尺寸或者電流就能實現(xiàn)等效跨導(dǎo)提高的目的，電路實現(xiàn)簡單，硬件消耗小，增益提高效果明顯。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例中的折疊式運算放大器增益提高電路的電路圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例中的套筒式運算放大器增益提高電路的電路圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例一

如圖1所示，一種運算放大器增益提高電路，是一種折疊式運算放大器增益提高電路，該電路各包括一個輸入PMOS管M1和一個輸入NMOS管M2，一個輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift，一個共柵NMOS管M3，一個偏置電流源I_Bias和一個負(fù)載電阻Rd。輸入信號Vin輸入到輸入PMOS管M1的柵極，輸入信號經(jīng)輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift輸入到輸入NMOS管M2的柵極，輸入PMOS管M1的源極接電源AVDD，輸入PMOS管M1的漏極分別與輸入NMOS管M2的漏極、共柵NMOS管M3的源極、偏置電流源IBias的輸入端連接，所述共柵NMOS管M3的漏極與負(fù)載電阻Rd的一端連接，負(fù)載電阻Rd的另一端接電源AVDD，所述輸入NMOS管M2的源極、偏置電流源的輸出端接地；所述共柵NMOS管M3的柵極接偏置電壓Vbias，所述負(fù)載電阻Rd與共柵NMOS管M3的漏極作為整個電路的輸出端。

在本發(fā)明中，輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2都工作在飽和區(qū)，共柵NMOS管M3工作在飽和區(qū)。所述輸入信號Vin同時作用于輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2，分別產(chǎn)生電流信號作用于負(fù)載電阻Rd，在輸出節(jié)點Vout產(chǎn)生輸出電壓信號。

流過輸入PMOS管M1的支路電流I_M1和流過負(fù)載Rd與共柵NMOS管M3組成的支路流I_OUT的總電流等于流過輸入NMOS管M2的支路電流I_M2和偏置電流源I_Bias的支路電流之和，既：I_M1+I_OUT＝I_M2+I_Bias。

當(dāng)輸入信號Vin增大，流過輸入PMOS管M1的電流減小，流過輸入NMOS管M2的電流增加，由I_M1+I_OUT＝I_M2+I_Bias可知，I_M1減小，I_M2增大，I_Bias不變，則I_OUT進一步增大，從而進一步降低輸出節(jié)點Vout電壓，提高增益；當(dāng)輸入信號Vin減小，流過輸入PMOS管M1的電流增大，流過輸入NMOS管M2的電流減小，由I_M1+I_OUT＝I_M2+I_Bias可知，I_M1增大，I_M2減小，I_Bias不變，則I_OUT進一步減小，從而進一步增加輸出節(jié)點Vout電壓，提高增益。

根據(jù)電路疊加原理，輸入信號Vin通過輸入PMOS管M1作用于輸出節(jié)點Vout的電壓增益為：Ap＝-g_mp*R_out’；輸入信號Vin通過輸入NMOS管M2作用于輸出節(jié)點Vout的電壓增益為：An＝-g_mn*R_out，如圖1所示運算放大器的增益提高電路總增益為：A＝Ap+An＝-(g_mp*R_out’+g_mn*R_out)，其中R_out’≈R_out，則A＝-(g_mp+g_mn)R_out。

在本發(fā)明中，流過輸入PMOS管M1的靜態(tài)電流與尾電流源I_Bias靜態(tài)電流成比例分配，分配比例根據(jù)增益提高能力確定，其電流總和等于流過輸入PMOS管M1和負(fù)載電阻Rd靜態(tài)電流總和。流過輸入PMOS管M1的靜態(tài)電流與流過負(fù)載電阻Rd的靜態(tài)電流成比例分配，分配比例根據(jù)增益提高能力確定，其電流總和等于流過輸入NMOS管M2的電流。

在本發(fā)明中，對輸入PMOS管M1的直流偏置電平約束較少，可以是輸入管正常工作的任意直流電平；輸入NMOS管M2的直流偏置電平要求較高，必須與構(gòu)成尾電流I_Bias的偏置電壓相同。

在本發(fā)明中，所述輸入PMOS管M1與輸入NMOS管M2直流電平不同，采用直流電平轉(zhuǎn)換電路VCM shift將輸入信號Vin直流電平轉(zhuǎn)換成適合相應(yīng)輸入管的直流電平。

在本發(fā)明中，所述構(gòu)成電路的共柵管M3提供高輸出電阻，其尺寸影響輸出電阻大小。

在本發(fā)明中，所述負(fù)載電阻Rd與共柵管M3、輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2所構(gòu)成小信號輸出阻抗，影響運算放大器增益。

在本發(fā)明中，所有NMOS晶體管和PMOS晶體管都滿足對偶定理，適當(dāng)變形可將輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2的類型和作用進行對換。

綜上所述，本發(fā)明一種運算放大器增益提高技術(shù)，以極少的電路消耗實現(xiàn)提高運算放大器增益的目的。相比于傳統(tǒng)折疊式運算放大器增益為：A_p＝-g_mp*R_out’，本發(fā)明增益提高了A/A_p＝(g_mn/g_mp)*R_out倍。

實施例二

如圖2所示，一種運算放大器增益提高電路，是一種套筒式運算放大器增益提高電路，該電路包括輸入PMOS管M1、輸入NMOS管M2、共柵NMOS管M3和負(fù)載電阻Rd，輸入信號Vin分別輸入到輸入PMOS管M1的柵極、輸入NMOS管M2的柵極，輸入PMOS管M1的源極接電源AVDD，輸入PMOS管M1的漏極分別與輸入NMOS管M2的漏極、共柵NMOS管M3的源極連接，所述共柵NMOS管M3的漏極與負(fù)載電阻Rd的一端連接，負(fù)載電阻Rd的另一端接電源AVDD，所述輸入NMOS管M2的源極接地；所述共柵NMOS管M3的柵極接偏置電壓Vbias，所述負(fù)載電阻Rd與共柵NMOS管M3的漏極作為整個電路的輸出端。

還包括輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift，輸入信號Vin經(jīng)輸入共模轉(zhuǎn)換電路VCM shift輸入到輸入PMOS管M1的柵極。

輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2都工作在飽和區(qū)，共柵NMOS管M3工作在飽和區(qū)。流過輸入PMOS管M1的支路電流I_M1和流過負(fù)載Rd與共柵NMOS管M3組成的支路流I_OUT的總電流等于流過輸入NMOS管M2的支路電流I_M2，既：I_M1+I_OUT＝I_M2。

當(dāng)輸入信號Vin增大，流過輸入PMOS管M1的電流減小，流過輸入NMOS管M2的電流增加，由I_M1+I_OUT＝I_M2可知，I_M1減小，I_M2增大，則I_OUT進一步增大，從而進一步降低輸出節(jié)點Vout電壓，提高增益；當(dāng)輸入信號Vin減小，流過輸入PMOS管M1的電流增大，流過輸入NMOS管M2的電流減小，由I_M1+I_OUT＝I_M2可知，I_M1增大，I_M2減小，則I_OUT進一步增大，從而進一步降增大輸出節(jié)點Vout電壓，提高增益。

在本發(fā)明中，對輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2直流偏置電壓都沒有特殊要求，滿足電路設(shè)計指標(biāo)即可。

在本發(fā)明中，通過電路參數(shù)設(shè)計，輸入信號直流電平可以同時滿足輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2要求，如果確實不能滿足，也可以采用直流電平轉(zhuǎn)換電路VCM shift將輸入信號Vin轉(zhuǎn)換成分別適合兩個輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2的直流偏置電壓。

在本發(fā)明中，所述構(gòu)成電路的共柵管M3提供高輸出電阻，其尺寸影響輸出電阻大小。

在本發(fā)明中，所述負(fù)載電阻Rd與共柵管M3、輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2所構(gòu)成小信號輸出阻抗，影響運算放大器增益。

在本發(fā)明中，所有輸入NMOS管M2和輸入PMOS管M1都滿足對偶定理，適當(dāng)變形可將輸入PMOS管M1和輸入NMOS管M2的類型和作用進行對換。

綜上所述，本發(fā)明一種運算放大器增益提高電路，以極少的電路消耗實現(xiàn)提高運算放大器增益的目的。相比于傳統(tǒng)套筒式運算放大器增益為：An＝-g_mn*R_out，本發(fā)明增益提高了A/A_n＝(g_mp/g_mn)*R_out倍。

以上兩種實現(xiàn)方法都能夠提高流過輸出節(jié)點的電壓變化量增加，從而提高有效輸入跨導(dǎo)，進而提高運算放大器增益。所述技術(shù)不需要增加輸入MOS尺寸或者電流就能實現(xiàn)等效跨導(dǎo)提高的目的，電路實現(xiàn)簡單，硬件消耗小，增益提高效果明顯。

上述實施例適用于折疊式的運算放大器增益提高的技術(shù)僅采用PMOS管為主要輸入管進行舉例說明，適用于套筒式的運算放大器增益提高的技術(shù)僅采用NMOS管作為主要輸入管進行舉例說明，上述優(yōu)選實施例僅用于說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。根據(jù)NMOS管和PMOS管滿足的電路對偶定理和其他電路特性，任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。