增益和擺率增強型放大器的製造方法

2023-05-29 00:18:46 3

增益和擺率增強型放大器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種增益和擺率增強型放大器，採用電流鏡型跨導放大器（OTA）實現，由一個差分輸入級單元和一個雙端轉單端單元構成。本發明的放大器採用增加電流控制可變電阻的方式，優化電流鏡結構，使電路在相同靜態功耗情況下可以得到更高的電壓增益和帶寬，在大信號輸入時，可以得到更高的擺率。本發明電路僅需要增加4個電流控制可變電阻，即可使放大器在保持相同功耗的前提下，電路的擺率從0.88V/μs提高到4.8V/μs，帶寬從2.54MHz提高到4.3MHz.。本發明電路可廣泛應用於可用於開關電容電路、數據轉換器、混合信號片上系統等電路領域。
【專利說明】増益和擺率增強型放大器
【技術領域】
[0001]本發明涉及ー种放大器，特別是一種增益和擺率增強型放大器，它應用於開關電容電路、數據轉換器、混合信號片上系統等集成電路領域。
【背景技術】
[0002]高性能運算跨導放大器(OTA)是開關電容濾波器、電源管理、數據轉換器等模擬電路的重要組成部分，也是構成更為複雜、高集成度混合信號SoC的基礎模塊。在大多數的應用中，跨導放大器必須要滿足例如寬帶寬、高増益、擺率增強型和低功耗的要求。
[0003]電流鏡跨導放大器是業界常用的實現方式，因為其僅具有單極點，無需頻率補償即可穩定，而且具有寬輸出擺幅，設計簡單。文獻I (JeongJin Roh, High-GainClass-AB OTA with Low Quiescent Current, Analog Integrated Circuits and Signa丄Processing, 47，225 - 228，2006)中對簡單的OTA進行了改進，利用輸入器件分裂和交叉反饋技術，提高了電路增益。但是，此種電路的擺率僅通過嚴格的電流鏡像來得到，由於多電流支路的分流作用，如果在保持輸出級電流鏡倍數不變的情況下，擺率下降，不能滿足高增益、擺率的需求。

【發明內容】

[0004]為了克服上述常規電流鏡跨導放大器的増益和擺率低的問題，本發明提出了ー種増益和擺率增強型放大器，僅需要増加少量器件，可在不顯著增加電路功耗的情況下，大幅提升放大器的増益和擺率。
[0005]為實現上述目的，本發明解決上述技術問題所採取的技術方案在於，一種增益和擺率增強型放大器，包括:
[0006]ー個差分輸入級單元，包括 PMOS 管 M。、PMOS 管 Mla、PMOS 管 Mlb、PMOS 管 M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9?M12和電晶體Ma1、電晶體Ma2，將輸入差分信號Vn和Vp進行對稱的差分放大；和
[0007]ー個雙端轉單端單元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、電晶體Mb1、電晶體mB2，形成帶有源極負反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號Vw和\2轉換為單端信號\，作為增益和擺率增強型放大器的輸出。
[0008]所述差分輸入級單元，包括PMOS管M。、PMOS管Mla、PMOS管Mlb、PMOS管M2a、PMOS管M2b、PMOS管M9?M12和電晶體Ma1、電晶體Ma2，將輸入差分信號Vn和Vp進行對稱的差分放大。其中，PMOS管M0的源極與Vdd相接，M0的漏極與PMOS管Mla, Mlb與M2a, M2b的源極相接，Mtl的柵極連接偏置電壓VBP，構成尾電流源，Mla與Mlb的柵極相接，M2a和M2b的柵極相接，Mlb的漏極與M11的漏極相接，M11的漏極和柵極相接，M11和M12的柵極相接，Ma2的漏極與Mn的源極相接，M2b的漏極與M9的漏極相接，M9的漏極和柵極相接，M9和Mltl的柵極相接，Mai的漏極與M9的源極相接。
[0009]所述雙端轉單端單元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、電晶體Mb1、電晶體mB2，形成帶有源極負反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號Vw和Vffi轉換為單端信號I，作為放大器的輸出。其中，M3的柵極和漏極相接，M3和M5的柵極相接，Mbi的漏極與M3的源極相接，M4的柵極和漏極相接，電晶體M4和M6的柵極相接，Mb2的漏極與M4的源極接接，M7的柵極和漏極相接，M7與M8的柵極相接。
[0010]所述電晶體Ma1、Ma2、Mb1、Mb2均起電流控制可變電阻的作用，MA1、MA2、MB1、MB2的等效電阻隨著電流的增大而増大。
[0011]有益效果:
[0012]本發明的増益和擺率增強型放大器與傳統的運算跨導放大器相比，具有以下特點:
[0013]1.本發明電路利用帶有源極負反饋電阻的電流鏡，在靜態時可提高放大器的増益和帶寬，大信號輸入時可提高放大器的擺率。因此，本發明電路在不顯著增加電路功耗的情況下，可以得到更高的増益、帶寬和擺率，與文獻I的常規放大器比較，本發明的電路的增益提高了 5dB，擺率提高了 5倍，帶寬提高1.7倍。
[0014]2.本發明電路僅增加4個器件，形成帶有源極負反饋電阻的電流鏡，可顯著提高放大器在靜態和大信號輸入時的性能，得到了更好的優值，其中，FoMl[MHzXpF/mA]從
4.65提高至IJ 6.22,FoM2[(V/u s) XpF/mA]從1.61提高至Ij 6.94，因此，本發明電路可以採用較低的功耗達到相同的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為文獻I所述的電流鏡跨導放大器電路圖；
[0016]圖2為本發明的一種高增益、擺率增強型放大器電路圖；
[0017]圖3為本發明電路中使用的電流控制可變電阻示意圖；
[0018]圖4為本發明電路的放大器與文獻I的放大器的擺率曲線對比圖；
[0019]圖5為本發明電路的放大器與文獻I的放大器的増益和相位曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明的【具體實施方式】不僅限於下面的描述，現結合附圖加以進ー步說明。
[0021]本發明的一種增益和擺率增強型放大器的電路圖如圖2所示，它由差分輸入級和雙端轉單端單元組成，其具體結構和連接關係、作用關係與本說明書的
【發明內容】
部分相同，此處不再重複。其中A、B、C和D表示各條支路的電流比值。它的工作原理如下:
[0022]首先分析靜態工作情況。電晶體MA1、MA2、Mbi和Mb2的柵極偏置電壓為VBN，在靜態工作時處於深線性區，起到小電阻的作用。在電流較小時，其對電流鏡像的影響可以忽略；在電流增大時，電晶體MA1、MA2、MB1和Mb2的等效電阻増大，導致電流鏡像器件柵源電壓増大，從而增大鏡像電流的大小。輸入級分裂為四個並聯器件(Mla和Mlb、M2a和M2b)，M9導通Mlb的電流，M11導通M2b的電流，M10和M12可以看做壓控電流源，旁路Mla和M2a的電流，從而減小M3和M4的靜態電流。靜態情況下，M2a的部分電流流入M12 (提高第一級的增益)，如果保持A/B不變，則同時可以降低輸出級的靜態電流。小信號變化吋，電晶體Mai和Ma2電流僅為 D/2 (B+C+D)，電晶體 Mbi 和 Mb2 的電流僅為(B-C) /2 (B+C+D)，電晶體 Ma1、MA2、Mbi 和 Mb2 上的壓降均很小，電晶體MaiヽMA2、Mbi和Mb2上的壓降對電流鏡像的影響可以忽略。如果Vp增加 Vin/2,則 M2a 電流減小 gm2aXVin/2, M2b 電流減小 gm2bXVin/2 (保持 gm2a+gm2b=gm2=gml=gm,in)°M9-M1。形成電流鏡，鏡像比例為C/D，則Mltl電流減小gm2bXVin/2XC/D，同理可推得M12電流增加gm2bXVin/2XC/D，M4電流減小(gm2a_gm2bXC/D) X Vin/2，經過鏡像得到由Vp輸入端引起輸出電流變化量為(gm2a+gm2bXC/D) XVin/2XA/B,同理Vn輸入端引起電流變化量與Vp輸入端引起輸出電流變化量等大反相，可表示為:
【權利要求】
1.一種增益和擺率增強型放大器，其特徵在於它包括: ー個差分輸入級單元，包括PMOS管Mq、PM0S管Mla、PM0S管Mlb、PM0S管M2a、PM0S管M2b、PMOS管M9?M12和電晶體Ma1、電晶體MA2，將輸入差分信號Vn和Vp進行對稱的差分放大；和 一個雙端轉單端単元，包括NMOS管M3?M6、PMOS管M7、PMOS管M8、電晶體Mb1、電晶體Mb2，形成帶有源極負反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號Vm和N02轉換為單端信號\，作為增益和擺率增強型放大器的輸出。
2.根據權利要求1所述的增益和擺率增強型放大器，其特徵在於，所述差分輸入級單元，包括 PMOS 管 M0、PMOS 管 Mla, PMOS 管 Mlb, PMOS 管 M2a, PMOS 管 M2b、PMOS 管 M9 ?M12 和電晶體Ma1、電晶體Ma2，將輸入差分信號Vn和Vp進行對稱的差分放大。其中，PMOS管Mtl的源極與Vdd相接，M0的漏極與PMOS管Mla、Mlb與M2a、M2b的源極相接，M0的柵極連接偏置電壓VBP，構成尾電流源，Mla與Mlb的柵極相接，M2a和M2b的柵極相接，Mlb的漏極與M11的漏極相接，M11的漏極和柵極相接，M11和M12的柵極相接，Ma2的漏極與M11的源極相接，M2b的漏極與M9的漏極相接，M9的漏極和柵極相接，M9和Mltl的柵極相接，Mai的漏極與M9的源極相接。
3.根據權利要求1所述的增益和擺率增強型放大器，其特徵在於，所述雙端轉單端單元，包括NMOS管M3?M6、PM0S管M7、PM0S管M8、電晶體Mb1、電晶體MB2，形成帶有源極負反饋電阻的電流鏡，通過電流鏡像將雙端信號Vm和Vtj2轉換為單端信號作為放大器的輸出。其中，M3的柵極和漏極相接，M3和M5的柵極相接，Mbi的漏極與M3的源極相接，M4的柵極和漏極相接，電晶體M4和M6的柵極相接，Mb2的漏極與M4的源極接接，M7的柵極和漏極相接，M7與M8的柵極相接。
4.根據權利要求1所述的增益和擺率增強型放大器，其特徵在於，所述電晶體MA1、MA2、Mbi> Mb2均起電流控制可變電阻的作用，Ma1、Ma2、Mb1、Mb2的等效電阻隨著電流的增大而増大。
【文檔編號】H03F3/45GK103457553SQ201310365736
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】黃曉宗, 石建剛, 劉倫才, 王健安, 黃文剛 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所