Cmos音頻運算放大器的製作方法

2023-05-30 17:46:51

專利名稱：：Cmos音頻運算放大器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及CMOS模擬集成電路設計領域，特別涉及CMOS音頻運算放大器。背景4支術現有技術中的音頻運算放大器有的採用雙極工藝設計，例如圖1所示的用於聲控切換免提通話控制電路中的話筒輸入信號的放大器，其中LI為基準電壓輸入端，電晶體Q6、Q7和電阻R2構成電流偏置電路，為各級提供偏置電流；電阻R1和電晶體Q5、Ql、Qlb、Q3、Q3b、Q2和Q4組成差分輸入級，其中電晶體Q5為恆流源，電晶體Ql和Q3組成差分輸入對，電晶體Qlb和Q3b為分流管，使得電晶體Q1和Q3的靜態電流為l/4*(IQl+IQlb),從而得到合適的差分對增益，電晶體Q2和Q4組成差分對的電流鏡負載；電阻R1、電晶體Qll和Qllb以及電阻R6、電晶體Q22組成了兩級射級跟隨器；電晶體Q9、Q8、Q18、Q14和Q20組成全NPN管結構的輸出級，以達到優化帶寬和相位裕度的目的，同時也是提供一級共射極放大；電晶體Q16和R3的作用是可以防止出現交越失真；電容C1和電阻Rll提供了頻率響應的補償。當圖中所示的各個器件取下面表1所列的參數時,tableseeoriginaldocumentpage3tableseeoriginaldocumentpage4該電路的主要性能參數指標如下開環增益(OpenLoopGain)=92.44dB;單位增益帶寬(GB)=1.53MHz;允許相位失真(PhaseMargin):61degree。現在CMOS工藝已經成為集成電路的主流製造工藝，因此有必要採用CMOS工藝對原有電路進行重新設計。如圖2所示，為現有技術中CMOS音頻運算放大器的電路圖，其包括由PMOSM1M4和NMOSM9M12組成的摺疊共源共柵輸入級、由PMOSM15-M18組成的雙端轉單端電流鏡、由PMOSM13、NMOSM14、PMOSM20、PMOSM201、PMOSM21M22、麗OSM19、醒OSM191和畫OSM23M24組成的ClassAB浮動偏置電路、由PMOSM5M6及NMOSM7M8組成的偏置電路、由PMOSM25和NMOSM26、以及電阻Rl、R2和電容C1、C2組成的推挽共源輸出級。其相對於前述現有技術中的雙極工藝的音頻運算放大器，具有更容易實現系統集成的優點，但是其也具有一些缺陷，如輸入失調電壓較大等，這是CMOS音頻運算放大器亟待解決的問題。此外，在通訊應用領域，抗射頻幹擾問題也是設計者需要面對的主要問題之一。
發明內容針對上述問題，本發明的目的之一就是優化現有技術中的CMOS音頻放大運算器，降低其輸入失調電壓，另一目的在於提高電路的PSRR(即電源抑制比Powersupplyrejectionratio)性能指標，以提高抗射頻幹擾的能力。因此，本發明提出一種CMOS音頻運算放大器，包括摺疊共源共柵輸入級、雙端轉單端電流鏡、ClassAB浮動偏置、偏置電路、推挽共源輸出級以及一個NMOSM27,所述NMOSM27的漏極與所述雙端轉單端電流鏡的信號輸入端相連，所述NMOSM27的柵極與所述ClassAB浮動偏置的電壓偏置端相連，所述NMOSM27的源極與所述摺疊共源共衝冊輸入級的信號輸出端相連。本發明在現有技術中的CMOS音頻放大電路中增加了一個N型CMOS器件，通過其對電源電壓波動的隔離作用，並使得摺疊共源共柵輸出端的電壓相等的手段，從而解決了CMOS音頻放大電路的抗射頻幹擾問題。本發明可用於音頻運算放大領域中，如可以用作聲控切換免提通話控制電路中的話筒輸入信號的運算放大電路。5圖1為現有4支術中利用雙極型工藝的音頻運算放大器的電路圖2為現有技術中利用CMOS音頻運算放大器的電路圖3為本發明的CMOS音頻運算放大器的電路圖4為本發明的CMOS音頻運算放大器的具體實施方式電路圖5為本發明的CMOS音頻運算放大器的具體實施方式的交流特性仿真結果；圖6為本發明的CMOS工藝的音頻運算放大器的具體實施方式的PSRR仿真結果；圖7為本發明的CMOS工藝的音頻運算放大器的具體實施方式的共模抑制比(CMRR)仿真結果。具體實施例方式下面結合本發明的具體實施方式。在此說明，CMOS包括N型CMOS(NMOS)及P型CMOS(PMOS),在下文中，在特別強調CMOS的類型時稱之為NMOS或PMOS,—般情況概括稱之為CMOS,需要時可參照該具體實施方式中的CMOS參數列表得知其具體類型。如圖3所示，本發明的CMOS音頻運算放大器包括摺疊共源共柵輸入級、雙端轉單端電流鏡、ClassAB浮動偏置電路、偏置電路、推挽共源輸出級以及一個NMOSM27。下面詳細說明本發明的音頻運算放大器的具體實施方式的電路設計過程。根據聲控切換免提通話系統對話筒放大器的要求，可以設定如下的參數指標*失調電壓80dB*單位增益帶寬>3MHz*輸出高電平驅動能力Vdd=5V，Iout--lmA時，Vout>3.7V*輸出j氐電平驅動能力Vdd=5V，lout=1mA時，Vout<200mV*總諧波失真水平0.15%下面根據以上的電路要求來設計電路。該音頻運算放大器可以採用貝嶺1.2微米雙CMOS工藝(Belling1.2umBiCMOS)來設計。首先需要選取合適的電路結構，考慮到80dB的開環增益要求，採用兩級放大器比較合適。在輸入級結構的選取上，考慮到該應用的共模電平一般是確定的(系統共模電平，交流地，一般為電源電壓的一半)，所以對共模輸入範圍沒有特別的要求，因此可以選用PMOS差分對管構成輸入級。之所以採用PMOS差分對管是因為這樣可以將差分對管的襯底連接到共源端，從而消除襯底偏置效應，提高線性度。而且，輸入級還可以採用摺疊共源共柵的級聯結構，該結構的優點是可以提供較高的增益和較大的輸入和輸出擺幅，以及快速的建立時間和較高的單位增益帶寬，另外該結構的頻率補償也可以有所選擇。輸出級可以釆用可提供近似滿擺幅輸出的推挽共源結構，其偏置方式採用ClassAB的浮動偏置結構。ClassAB的浮動偏置結構具有設計靈活，可減小交越失真等特點。CMOSM13和M14為並聯的NMOS和PMOS管組成的浮動偏置，CMOSM19、M191、M21和M22組成了CMOSM13的偏置電路，CMOSM20、M201、M23和M24組成了CMOSM14的偏置電路。NMOSM27的作用是使CMOSM9和Mil的漏端電壓相等，同時也隔離了當電源電壓波動時CMOSM15和M16的柵極電壓對CMOSM9的影響，從而起到優化PSRR性能、提高抗射頻千擾能力的作用。在頻率補償方式方面，可以採用輸出管的Miller電阻電容結構，以實現極點分離和消除右半平面零點的目的。另外，在整個運放的偏置上可以採用自偏置共源共柵結構，以提高運放的電源抑制比。因此，得到如圖4所示的具體實施方式的電路結構。其中輸入級為摺疊共源共柵輸入級，其由PMOSM1M4和NMOSM9-M12組成；其中PMOSMl和M2的源極相連，PMOSMl和M2的漏極分別連接M10和M12的漏極，構成差分輸入對管，PMOSM3和M4構成共源共柵電流源，作為輸入對管的尾電流；M9M12柵極相連，接柵偏置電壓；M10和M12的源極接電源地，漏極分別連接M9、Mil的源極；M9的漏極連M27的源極，Mil的漏極連M13的漏極和M14的源才及。所述雙端轉單端電流4竟由PMOSM15M18組成；其中PMOSM15M18的連接關係為M15、M16、M17和M18的各柵極互相連接，其中M15、M16為自偏置共源共柵連接，M17、M18為自偏置共源共柵連接，M15M18構成自偏置共源共柵電流鏡。並且所述NMOSM27與所述PMOSM15-M18的連接關係為M27的漏極與由M15M18構成的自偏置共源共4冊電流鏡的輸入端(M15的漏、柵極)相連。所述ClassAB浮動偏置由PMOSM13、NMOSM14、PMOSM20、PMOSM201、PMOSM21M22、麗OSM19、麗OSM191和畫OSM23M24組成，其中各個器件的連接關係為M21、M22為兩個柵漏短接PMOS的疊層連接，M23、M24為兩個柵漏短接NMOS的疊層連接，M20、M201為自偏置共源共柵連接，M19、M191為自偏置共源共柵連接。M23的漏極與M201的漏極相連，M191的漏極與M21的漏極相連。M13的柵極與M191的漏極相連，M14的柵極與M201的漏極相連。M13的源極與M14的漏極相連，M13的漏極與M14的源極相連。並且，所述NMOSM27的柵級與所述NMOSM14的柵級相連，同時所述NMOSM27和所述NMOSM14的寬長比之間的關係被設計以使得NMOSM9和NMOSMil的漏端電壓相等。所述偏置電^各由PMOSM5M6及NMOSM7M8組成；其中各個器件的連接關係為M7、M8為共源共柵連接，M5、M6為自偏置共源共柵連接。並且所述NMOSM7M8的柵極為偏置電壓輸出端，其連接到所述ClassAB浮動偏置和所述摺疊共源共柵輸入級，為其提供偏置電壓。所述推4免共源輸出級由PMOSM25和NMOSM26、以及電阻Rl、R2和電容C1、C2組成；其連接關係為M25、M26漏極相連，為推輓輸出端；M25的源極連VDD，柵極連ClassAB浮動偏置的PMOS輸出管控制信號端；M26的的源極連GND,柵極連ClassAB浮動偏置的NMOS輸出管控制信號端。9確定了電路結構，接下來設計CMOS管的寬長比。本實施例中採用的Belling1.2umBiCMOS工藝的特徵參數如下最小寬長比即W/L為1.2um;C。，"8.7;~CM21.2;糊*0.7;,0.8;首先確定輸入級的尺寸。考慮到在該實施中系統對共模輸入範圍及轉換速率(slewrate)都沒有特別的要求，因此輸入級的靜態電流和輸入對管的尺寸要求相對比較寬鬆。在此可以選取靜態尾電流源為20微安培(20uA)。考慮到增加開環增益和單位增益帶寬的要求，可以將輸入管寬長比適當做大，以提供較大的輸入級跨導(Gm)。同時較大的跨導和柵面積也可以改善輸入級的熱噪聲、閃爍噪聲以及失調。因此可以設計輸入對管的尺寸為寬長比為40um/2um，此時輸入跨導約為92uS。接下來設計摺疊共源共柵電路。為了使在大信號工作時CMOSM9和M10的電流不會為零，所以取CMOSM10和M12的靜態電流為輸入級尾電流的1.2倍，即24uA。CMOSM15-M18組成自偏置共源共柵電流鏡以實現差分到單端的轉換，其寬長比無特別要求，與輸入級尾電流源相同。接下來設計輸出管及ClassAB浮動偏置。為了得到較好的相位裕度，一般輸出級的跨導為輸入級跨導的十倍以上。然而考慮到可以使用頻率補償，因此輸出PMOS管的跨導取500uS。則由跨導公式可得^/2x21.2x5125x/25=G附25=500wS1因為CMOSM17和M18為共源共柵結構，所以CMOSM25的柵極電位對CMOSM15M18的電流鏡影響較小，故沒有特別的要求。因此可以取l25-50uA，則S25=118。(125表示編號為M25的MOS管的漏端電流，S25表示編號為M25的MOS管的寬長比，下文中的類似符號的含義以此類推)靜態時，浮動偏置管CMOSM13和M14中流過的電流為、3—j14-^一^一注意到PMOS管的浮動偏置迴路即CMOSM13、M25和M21、M22的電流和寬長比之間有如下關係vii8"ys,3(i)而且在設計ClassAB偏置時可以使得當輸出PMOS管驅動負載時在輸出NMOS管中保留一個小電流(取5uA),這樣當負載從由PMOS管驅動轉為NMOS管驅動時，就消除了NMOS管由關斷到開通的過程，從而進一步優化了交越失真。為了實現這一目的，則需滿足如下關係，i/7，，I5m/14w(1)式和(2)式聯立，寸解得:S13=6.1如果取I21=I22=5uA,則解得S21=S22=6.74NMOS管的浮動偏置迴路CMOSM14、M26、M23和M24與PMOS管的浮動偏置回^各有相同的特性，且為了滿足I13==I14，I25=I26,該兩個迴路的管子的寬長比需滿足以下關係*^25=513二jS^2:*^21^26《4^24S23(3)S26可由以下等式求得Gj26=Gaw26=x68.7xS26x50w/l=500w51貝寸g加=364從而由(3)式可以確定S14=1.88，S23-S24=2.08最後進行頻率補償的設計，採用輸出管Miller電容和電阻的組合，ii說明書第10/11頁Miller電容取lpF，調零電阻的值為1/GmII,經仿真為1.13K,其中GmII為輸出級的跨導。圖4的電路中各CMOS管子的類型及尺寸的參數列表如下(u為微米單位，m為並聯的MOS管的個數)tableseeoriginaldocumentpage12經過仿真，上述設計完成的CMOS音頻運算放大器的靜態電流為166uA，直流開環增益為89.4dB，單位增益帶寬為5.58MHz，相位裕度為61度，217Hz頻率下PSRR為-89.8dB，在10%的輸入對管失配情況下的CMRR為-80dB,1mA輸出電流條件下輸出低電平為65mV,輸出高電平為4.89V，THD(即總諧波失真Totalharmonicdistortion)為66m%。各項指標均滿足設計要求。如圖5所示，上述設計完成的音頻運算放大器的交流特性仿真結果為直流增益(DCgain):89.4dB;相位裕度(PM):61degree;單位增益帶寬(GB):5.58MHz。如圖6所示，上述音頻運算放大器的PSRR仿真結果為在217Hz時為-89.8dB。如圖7所示，上述音頻運算放大器的CMRR仿真結果為當輸入級為10%失配的情況下，為-80dB。本發明的音頻運算放大器電路可用於聲控切換免提通話控制電路中以實現話筒輸入信號的放大作用，也可用於其他音頻放大領域。上述內容僅是對本發明的示例性的描述，本領域的技術人員可以在不偏離本發明精神的情況下對本發明做出修改，這些修改也應視為落在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍不限於上述的具體實施方式，而是由權利要求書限定。權利要求1、CMOS音頻運算放大器，其特徵在於，包括摺疊共源共柵輸入級、雙端轉單端電流鏡、ClassAB浮動偏置、偏置電路、推挽共源輸出級以及一個NMOS(M27)，所述NMOS(M27)的漏極與所述雙端轉單端電流鏡的信號輸入端相連，所述NMOS(M27)的柵極與所述ClassAB浮動偏置的電壓偏置端相連，所述NMOS(M27)的源極與所述摺疊共源共柵輸入級的信號輸出端相連。全文摘要CMOS音頻運算放大器，包括摺疊共源共柵輸入級、雙端轉單端電流鏡、ClassAB浮動偏置、偏置電路、推挽共源輸出級及NMOS(M27)，所述NMOS(M27)的漏極與雙端轉單端電流鏡的信號輸入端相連，NMOS(M27)的柵極與ClassAB浮動偏置的電壓偏置端相連，NMOS(M27)的源極與摺疊共源共柵輸入級的信號輸出端相連。本發明在現有技術中的CMOS音頻放大電路中增加了NMOS器件，通過其對電源電壓波動的隔離作用，並使得摺疊共源共柵輸出端的電壓相等的辦法，從而解決了CMOS音頻放大電路的抗射頻幹擾問題。本發明可用於音頻運算放大領域中，如可以用作聲控切換免提通話控制電路中的話筒輸入信號的運算放大電路。文檔編號H03F3/45GK101471631SQ20071017386公開日2009年7月1日申請日期2007年12月29日優先權日2007年12月29日發明者張宇鋒,龍繼志申請人:上海貝嶺股份有限公司