一種低功耗大擺幅開關型運算放大器的製作方法
2023-11-02 20:19:02 2
專利名稱：一種低功耗大擺幅開關型運算放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於開關電容電路的新型開關型運算放大器，尤其 涉及一種低功耗大擺幅的開關型運算放大器。
背景技術：
模數轉換器作為模擬信號和數位訊號的接口轉換電路，被廣泛應用於 通信基站、醫療設備、衛星接收系統、雷達、紅外成像、數字示波器、消 費類電子等領域。受到消費電子市場的不斷推動，由電池供電的可攜式設 備日益普及，要求模數轉換器在實現高性能的同時消耗儘可能小的功耗。 同時，隨著集成電路工藝的不斷發展，電源電壓在不斷地降低，因此低電 壓設計也是非常的重要。
模數轉換器一般通過工作在一定時鐘頻率下的開關電容電路實現，而 開關電容電路的核心單元是運算放大器。要實現高性能的模數轉換器，就
需要高性能的運算放大器。圖1是3種典型運算放大器的結構。圖l(a)是 套筒式結構的運算放大器，具有良好的頻響特性，可以在較低的功耗下實 現高增益，但是這種結構的運算放大器擺幅很小，不適合在低電壓下工作； 圖l(b)是摺疊式共源共柵結構的運算放大器，和套筒式結構相比，可以 得到更大的擺幅但是需要消耗更大的功耗，並且工作在低電壓下擺幅仍然 很小，也不適合低電壓工作；圖l(c)是典型的兩級結構的運算放大器， 可以得到最大的輸出擺幅，但是由於兩級運放需要通過頻率補償來保證穩 定性，因此運算放大器的第二級將會消耗很大的功耗。
由此可見傳統的幾種運算放大器結構在功耗和擺幅方面存在一定的折衷關係，很難在較低功耗的同時實現較大的擺幅。因此要實現低功耗大 擺幅的運算放大器，需要從運算放大器的結構上考慮。
發明內容
本發明提供了一種新型開關型運算放大器，能夠得到較大的輸出擺幅 和較低的功耗，可用於任何工作在一定時鐘頻率下的開關電容電路。 為了達到上述目的，本發明的技術方案如下
一種低功耗大擺幅開關型運算放大器，其包含有A.第一級放大
器，用來輸入放大信號；B.電平位移電路，包括NMOS管的電平位移 電路和PMOS管的電平位移電路，用於接收所述第一級放大器輸出的信 號；C.第二級放大器，為AB類放大器，包括一 NMOS管與一 PMOS 管以漏端相連，並以所述相連的漏端作為放大信號的輸出端；所述NMOS 管與PMOS管的柵極均用於接收所述電平位移電路輸出的信號，同時， 其偏置狀態受所述電平位移電路控制；D.補償電路，耦接於所述第一 級放大器與所述第二級放大器之間，用來依據所述第二級放大器輸出的放 大信號產生一補償信號，並將該補償信號反饋至所述第一級放大器的輸出
一山順。
進一步，所述的運算放大器中所述NMOS管的電平位移電路採用2 個開關電容電路實現；每個所述開關電容電路包括兩個電容與四個開關， 其中，第一電容連接於所述第一級放大器輸出端和所述第二級放大器的 NMOS管柵極之間，並通過第一開關和第二開關與第二電容兩端連接，所 述第二電容通過第三開關與所述第一級放大器輸出共模電平連接、通過第 四開關與偏置電壓連接。
作為本發明優選方式之一，所述PMOS管的電平位移電路採用2個 開關電容電路實現；每個所述開關電容電路包括兩個電容與四個開關，其 中，第一電容連接於所述第一級放大器輸出端和 所述第二級放大器的PMOS管柵極之間，並通過第一開關和第二開關與第二電容兩端連接，所 述第二電容通過第三開關與所述第一級放大器輸出共模電平連接、通過第 四開關與偏置電壓連接。再者，所述PMOS管的電平位移電路採用2個電流鏡像電路方式實 現；每個所述電流鏡像電路為PMOS電流鏡，包括一個源極和柵極相連 並與所述第二級放大器的PMOS管柵極相連的PMOS管，及連接在PMOS 管和地之間的NMOS管，NMOS管的柵極接其對稱側第二級放大器的 NMOS輸入管柵極。更進一歩，所述的運算放大器中的所述第一級放大器為套筒式結構差 分放大器，且所述第一級放大器的輸出共模電平設置為電源電壓的一半， 使所述套筒式結構差分放大器的所有電晶體工作在飽和區。較佳的，所述的運算放大器中的所述補償電路為嵌套式密勒補償電 路，即同時採用密勒補償電容和共柵補償電容來實現所述補償電路。所述 密勒補償電容連接於所述第一級放大器的輸出和所述第二級放大器的輸 出之間。所述共柵補償電容連接於所述第一級放大器的輸入NMOS管的 漏極和所述第二級放大器的輸出之間。本發明由於採用了上述的技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的 優點和積極效果本發明通過使用兩級放大器，高增益由第一級放大器實現，減少了第 二級放大器的MOS管數量，實現了較大的輸出擺幅；同時，在兩級放大 器之間增加的電平位移電路，改變了第二級放大器MOS管的偏置狀態， 使得第二級放大器的MOS管具有更小的過驅動電壓，從而可以在更小的 偏置電流下獲得更大的跨導，因此降低了整個運算放大器的功耗；採用電 流鏡鏡像的方式實現AB類輸出，從而減少了一半電平位移電路的使用， 也大大的減小面積的消耗；由此，獲得了高性能的低功耗大擺幅的幵關型 運算放大器。
通過以下對本發明的實施例並結合其附圖的描述，可以進一步理解本發 明的目的、具體結構特徵和優點。其中，附圖為圖l(a)、 (b)、 (c)為現有的三種典型運算放大器的結構示意圖。 圖2為本發明開關電容運算放大器實施例1的結構示意圖。 圖3為本發明開關電容運算放大器實施例2的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖來加以詳細說明。圖2為改進型開關電容運算放大器的第一種結構。電源電壓為^,， 首先為了得到較高的增益，第一級放大器採用了套筒式結構，並且將第一 級放大器的輸出共模電平設置在lr，以使該級電晶體都能夠工作在飽和區。為了提高電流的利用率，第二級放大器採用AB類輸出，第一級放大 器的輸出同時接到NMOS管和PMOS管的輸入，因此NMOS管和PMOS管對第二級放大器都貢獻跨導，即m,second-stage - =^ml2 + ml4如果&12和"4相等，Gm,_nd-Stage=2xgm,2 ，第二級放大器的實際跨導將 變為A類輸出的2倍。因此在相同非主極點的情況下，第二級放大器的 電流只需是A類輸出級的1/2，將電流的利用率提高了 1倍。如果運放第一級放大器的輸出直接接到第二級放大器輸入管M12和 M14的柵極，將會使M12管具有較大的過驅動電壓Fdsat，其中M12管的 過驅動電壓為KM12)+朋—4(M12)M14管的過驅動電壓為formula see original document page 8在AB類兩級運放中，第二級放大器的靜態電流由非主極點來決定， 也就是說由第二級放大器跨導Gm，nd.stage決定，而2/， 2/，也就是說，第二級放大器的靜態電流由過驅動電壓Fdw決定。對於確 定的跨導，大的過驅動電壓Fdw意味著需要更大的電流，小的過驅動電壓^1W則意味著更小的電流。電平位移電路包括第一電容、第二電容、第一開關、第二開關、第三開關和第四開關。在四個電平位移電路中第一電容分別為Cl， C3， C5， C7;第二電容分別為C2， C4， C6， C8;第一開關、第二開關為CK2; 第三開關、第四開關為CKl。其中，電容C,、 C2和開關組成一個NMOS 管的電平位移電路，開關工作在雙相時鐘信號下，其工作原理類似於開關 電容共模反饋電路。在CKl時刻，電容C2上採樣到第一級放大器輸出共 模電平^。,和偏置電壓Kb4的差值；在CK2時刻，通過電荷重分布，電容 C,上將獲得相同的電壓差值。這樣在第二級放大器NMOS輸入管Ml2柵 極電壓和第一級放大器輸出電壓I^。,之間就存在著電容d上的電壓差，實現了電平位移的功能。如果不考慮寄生電容的影響，Ml2管的柵極偏置電 壓就等於偏置電壓Kb4。因此通過偏置電路產生適當的偏置電壓，就可以 將第二級放大器NMOS輸入管Ml2的過驅動電壓Fdsat控制在100 mV左 右。電容Cs、 C6和開關組成PMOS管的電平位移電路，原理和NMOS管 相同，可以將PMOS輸入管Ml4的柵極偏置電壓設置為偏置電壓Fb5，同 樣將第二級放大器PMOS輸入管Ml4的過驅動電壓Fdsat控制在100 mV 左右。要獲得相同的&_ ，可以通過減小乙,(Ml2)和U組4)來降低運放第二級放大器所需的靜態電流。其次通過這種結構還可以增大運放的輸出擺幅，對於圖2中結構的 運放來說，輸出擺幅為^^^VUM12)I-I匕,(M14)1，因此通過減小^。, (Ml 2)和4。, (Ml 4)，可以增大運放的輸出擺幅。圖3為改進型開關電容運算放大器的第二種結構，是對第一種結構的 改進，通過電流鏡像實現AB類輸出的功能，減少了電容的使用從而節約 了面積。在這種情況下，第二級放大器的實際跨導為Gm,Second-stage — gml2 + Smcl X grnc2 ^ 5mc3圖2和圖3中的電平位移電路除了實現直流電平位移的作用，還需要 將第一級放大器的小信號耦合到第二級放大器的輸入。以圖3中電路為 例，需要將第一級放大器輸出的小信號耦合到第二級放大器輸入管M12 的柵極。由於M12管柵源之間寄生電容Cgs,2的存在，第二級放大器輸入 管M12柵極出現的小信號將是第一級放大器輸出端小信號的C,/(C,+Cg^)倍。如果電容G的取值和C^2的值比較接近，小信號將被衰減從而影響 運放的增益。因此電容C,的取值應當比較大， 一般Cgsu的值在100ff左 右，如果電容Q的取值比C^2大很多，假如d取為2 pF或更大，小信 號受到的衰減基本可以忽略，此時電容C,對增益的影響也基本可以忽略。 電容C2在工作的時候只是起到向電容G充電的作用，並不影響運放的增 益，因此為了節省版圖面積，電容C2可以取得較小， 一般取為C^2的幾 倍即可，例如0.5pF 1 pF左右。C3的取值參考d， C4的取值參考C2。對於AB類輸出的運算放大器，第二級放大器的偏置電流變化很大， 因此第二級放大器的跨導變化很大，如果採用一般的密勒補償容易產生穩 定性的問題在單位增益帶寬處出現一個尖峰，影響運放的頻響特性。因 此在圖2和圖3的結構中，採用嵌套式密勒補償，即同時採用密勒補償 電容和共柵補償電容，可以避免產生該穩定性的問題。最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同 替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權 利要求範圍中。
權利要求
1.一種低功耗大擺幅開關型運算放大器，其特徵在於，其包含有第一級放大器，用來輸入放大信號；電平位移電路，包括NMOS管的電平位移電路和PMOS管的電平位移電路，用於接收所述第一級放大器輸出的信號；第二級放大器，為AB類放大器，包括一NMOS管與一PMOS管以漏極相連，並以所述相連的漏極作為放大信號的輸出端；所述NMOS管與PMOS管的柵極均用於接收所述電平位移電路輸出的信號，同時，其偏置狀態受所述電平位移電路控制；補償電路，耦接於所述第一級放大器與所述第二級放大器之間，用來依據所述第二級放大器輸出的放大信號產生一補償信號，並將該補償信號反饋至所述第一級放大器的輸出端。
2. 如權利要求1所述的運算放大器，其特徵在於，所述NMOS管的 電平位移電路採用2個開關電容電路實現；每個所述開關電容電路包括兩 個電容與四個開關，其中，第一電容連接於所述第一級放大器輸出端和所 述第二級放大器的NMOS管柵極之間，並通過第一開關和第二開關與第 二電容兩端連接，所述第二電容通過第三開關與所述第一級放大器輸出共 模電平連接、通過第四開關與偏置電壓連接。
3. 如權利要求l-2所述的運算放大器，其特徵在於，所述PMOS管 的電平位移電路採用2個開關電容電路實現；每個所述開關電容電路包括 兩個電容與四個開關，其中，第一電容連接於所述第一級放大器輸出端和 所述第二級放大器的PMOS管柵極之間，並通過第一開關和第二開關與 第二電容兩端連接，所述第二電容通過第三開關與所述第一級放大器輸出 共模電平連接、通過第四開關與偏置電壓連接。
4. 如權利要求l-2所述的運算放大器，其特徵在於，所述PMOS管的電平位移電路採用2個電流鏡像電路方式實現；每個所述電流鏡像電路 為PMOS電流鏡，包括一個漏極和柵極相連並與所述第二級放大器的PMOS管柵極相連的PMOS管，及連接在所述PMOS管漏極和地之間的 NMOS管，NMOS管的柵極接其對稱側第二級放大器的NMOS輸入管柵 極。
5. 如權利要求1-4中任一項權利要求所述的運算放大器，其特徵在於，所述第一級放大器為套筒式結構差分放大器，且所述第一級放大器的輸出共模電平設置為電源電壓的一半，使所述套筒式結構差分放大器的所 有電晶體工作在飽和區。
6. 如權利要求1-4中任一項權利要求所述的運算放大器，其特徵在 於，所述補償電路為嵌套式密勒補償電路，即同時採用密勒補償電容和共 柵補償電容來實現所述補償電路。所述密勒補償電容連接於所述第-級放 大器的輸出和所述第二級放大器的輸出之間。所述共柵補償電容連接於所 述第一級放大器的輸入NMOS管的漏極和所述第二級放大器的輸出之間。
全文摘要
本發明屬於微電子領域，具體涉及一種低功耗大擺幅開關型運算放大器，該運算放大器採用兩級運放的形式，第二級為AB類輸出，並且在第一級和第二級之間增加了電平位移電路，改變第二級MOS管的偏置狀態，可以實現運放的低功耗和大擺幅，並且採用嵌套式密勒補償以實現運放的穩定性，能夠被廣泛應用於通信基站、醫療設備、衛星接收系統、雷達、紅外成像、數字示波器、消費類電子等領域。
文檔編號H03F3/68GK101662264SQ200910055220
公開日2010年3月3日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者任俊彥, 凡 葉, 寧 李, 俊 許, 瑤 過 申請人:復旦大學