基於mos器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器的製作方法
2024-03-06 22:19:15
專利名稱：基於mos器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於模擬集成電路設計領域，特別涉及一種基於MOS器件的寬帶低功耗電 流回收斬波穩定放大器。
背景技術：
20世紀年代以來，隨著亞微米、超深亞微米技術的發展和系統晶片技術的日益成 熟，採用電池供電的可攜式電子產品獲得了迅猛發展和快速普及。由於電池技術的發展遠 遠跟不上與電子系統的發展，從心臟起搏器到助聽器、行動電話和各種各樣產品都對電子 產品的供電電壓提出了嚴格的限制。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格的限制。電子器件性能要求越來越高，開發周期越來越 短，對開發與生產成本的制約也日趨嚴格，使低壓模擬集成電路受到了極大的關注。運算放大器是模擬電路中最重要的電路單元，廣泛應用於模擬電路和混合信號處 理電路中，如開關電容，模數、數模轉換器等。但是由於電晶體的閾值電壓並不隨著特徵尺 寸的減小而線性減小，所以在低電源電壓環境下，運算放大器的各項新能指標會大大減小。 為了提高運放的性能，增大電路處理信號的帶寬範圍，就必須對傳統的摺疊共源共柵運放 進行改進設計，這就促成了各種新型的低功耗寬帶放大器的產生與發展。同時在低壓環境 下，運算放大器低頻噪聲的影響會增大。為了提高運放的噪聲性能，增大信號的信噪比，就 必須對運放的結構進行改進設計，這就促成了斬波穩定放大器的產生與發展。近幾年來，低功耗寬帶斬波穩定運算放大器已大量湧現，各大公司也紛紛推出自 己相應的產品。其應用十分廣泛，可用在DVD播放器、音效卡、手機、系統、傳感器等各種電路 當中。傳統的摺疊共源共柵斬波穩定放大器主要具有以下幾個特點(1)低頻Ι/f噪聲被 很好的抑制。(2)具有較高的低頻增益和較寬的帶寬。(3)輸出電壓可以達到電源電壓正 負兩級。傳統的斬波穩定摺疊共源共柵放大器的電路結構如圖1所示。輸入信號先經過一 個混頻器，然後進入放大器的輸入級，輸入級由兩個PMOS管Pl、P2組成，其將正反兩個方向 的電流同時摺疊流經N3、N4到正負輸出端，最後放大器的輸出端再次經過一個混頻器到輸 出端。其中，NMOS管Ni、N2都起到電流源的作用。但是，傳統的斬波穩定摺疊共源共柵放 大器存在以下不足1.相比於其他類型的放大器，其靜態功耗高。2.電流源N1、N2隻是充當電流源，未被利用傳輸小信號電流，是一種「浪費」。3.在功耗要求嚴格的情況下，難以達到高帶寬的性能。
發明內容
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種基於MOS器件的寬帶低功 耗電流回收斬波穩定放大器，其特徵在於，所述寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器包括 升頻和降頻兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；
所述升頻混頻器置於放大器輸入級之前，對輸入信號的起升頻作用，降頻混頻器 置於放大器輸出級之後，對輸入信號起降頻作用；所述分流輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、 P2b組成；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N5和m組成的第一電流鏡和由 NMOS管N8、N2和N6組成的第二電流鏡；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N3、N4以及PMOS 管P5、P6組成。所述寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器正負輸入信號先通過一個混頻器進行 混頻，把信號調製到載波頻帶範圍內，然後正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉換 成向下的電流信號，同時負向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉換成向上的回收電流 信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N5、Nl組成的第一電流鏡被放大K倍，與 Pla管向下的電流一起通過N3流向負向輸出端；同時，負向輸入信號通過輸入管Ph將電 壓信號轉換成向上的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉換成向下 的回收電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N2、N6組成的第二電流鏡被放 大K倍，與Ph管向下的電流一起通過N4流向正向輸出端；最後正負輸出信號再次經過一 個混頻器，將信號調製到基帶附近。其中的各個MOS器件採用常規MOS電晶體，或採用高遷 移率的應變矽MOS器件，以進一步提高該電路的性能。所述輸入級的四個PMOS管尺寸大小一致。所述由NMOS管N7、N5、m組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接，所述由NMOS 管N8、N2、N6組成的第二電流鏡與輸入級的PIb管連接。所述正負輸入信號先通過一個混頻器進行混頻再送到放大器的輸入端，最後放大 器的正負輸出信號再次經過一個混頻器進行降頻再送到輸出端。本發明的有益效果是這種新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器與傳統設 計方案相比具有以下幾個明顯的優點在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力； 降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半 功耗等諸多優點。
圖1為傳統摺疊共源共柵斬波穩定放大器的電路結構圖。圖2為本發明的新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器的電路結構圖。圖3為本發明的新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器與傳統的摺疊共源 共柵斬波穩定放大器的頻響仿真對比圖。
具體實施例方式本發明提出的基於MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器，其一種具體 實施方式採用CMOS工藝實現。在圖2中，所述寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器包括升 頻和降頻兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流的中間級和軌到軌輸出級；所述升頻混頻器置於放大器輸入級之前，對輸入信號的起升頻作用，降頻混頻器 置於放大器輸出級之後，對輸入信號起降頻作用；所述分流輸入級由PMOS管Pla、Plb、P2a、 P2b組成，該四個PMOS管尺寸大小一致；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N5 和附組成的第一電流鏡，並與輸入級的P2b管連接，和由匪OS管N8、N2和N6組成的第二電流鏡，並與輸入級的PMOS管Plb管連接；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N3和N4以及 PMOS管P5和P6組成。該寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器的各MOS管具有如下連接結 構正負輸入信號與第一個混頻器相連接，第一個混頻器的正向輸出與Pla和Plb的 柵極相連，第一個混頻器的負向輸出與Ph和P2b的柵極相連，Pla的漏極與m的漏極、N3 的源極相連，Plb的漏極與N6、N2的柵極相連，P2b的漏極與N2、N5的柵極相連，P2a的漏 極與N2的漏極、N4的源極相連，P5的漏極與N3的漏極相連，然後與第二個混頻的正向輸入 相連，P6的漏極與N4的漏極相連，然後與第二個混頻器的負向輸入相連。所述寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器工作原理是所述正負輸入信號先通過 一個混頻器進行混頻再送到放大器的輸入端，最後放大器的正負輸出信號再次經過一個混 頻器進行降頻再送到輸出端。具體過程是正負輸入信號先通過一個混頻器進行混頻，把信 號調製到載波頻帶範圍內，然後正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉換成向下的電 流信號，同時負向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉換成向上的回收電流信號，該回 收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N5、Nl組成的第一電流鏡被放大K倍，與Pla管向下 的電流一起通過N3流向負向輸出端；同時，負向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號轉換 成向上的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉換成向下的回收電流 信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N2、N6組成的第二電流鏡被放大K倍，與 Ph管向下的電流一起通過N4流向正向輸出端；最後正負輸出信號再次經過一個混頻器， 將信號調製到基帶附近。由此可得，輸入等效跨導被放大了 K+1倍。本發明中，K的值被取 為3，因此放大器的帶寬被放大到原來的兩倍。上述各個MOS器件採用常規MOS電晶體，或採用高遷移率的應變矽MOS器件，以進 一步提高該電路的性能。圖3為本發明的新型的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器與傳統摺疊共源共 柵斬波穩定放大器的頻響仿真結果對比圖。從圖中可以看出，本發明的寬帶低功耗電流回 收斬波穩定放大器的帶寬相比於傳統摺疊共源共柵斬波穩定放大器提高了兩倍以上。同 時，低頻增益仍然略有提高。
權利要求
1.一種基於MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器，其特徵在於，所述寬帶 低功耗電流回收斬波穩定放大器包括升頻和降頻兩個混頻器、分流輸入級、放大回收電流 的中間級和軌到軌輸出級；所述升頻混頻器置於放大器輸入級之前，對輸入信號的起升頻作用，降頻混頻器置於 放大器輸出級之後，對輸入信號起降頻作用；所述分流輸入級由PMOS管Pla、Plb、Ph、P2b 組成；所述放大回收電流的中間級包括由NMOS管N7、N5和m組成的第一電流鏡和由NMOS 管N8、N2和N6組成的第二電流鏡；所述軌到軌輸出級是由NMOS管N3、N4以及PMOS管P5、 P6組成。所述寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器正負輸入信號先通過一個混頻器進行混頻， 把信號調製到載波頻帶範圍內，然後正向輸入信號通過輸入管Pla將電壓信號轉換成向下 的電流信號，同時負向輸入信號通過輸入管P2b將電壓信號轉換成向上的回收電流信號， 該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N7、N5、m組成的第一電流鏡被放大K倍，與Pla管 向下的電流一起通過N3流向負向輸出端；同時，負向輸入信號通過輸入管Ph將電壓信號 轉換成向上的電流信號，同時正向輸入信號通過輸入管Plb將電壓信號轉換成向下的回收 電流信號，該回收電流通過交叉連接的由NMOS管N8、N2、N6組成的第二電流鏡被放大K倍， 與Ph管向下的電流一起通過N4流向正向輸出端；最後正負輸出信號再次經過一個混頻 器，將信號調製到基帶附近。其中的各個MOS器件採用常規MOS電晶體，或採用高遷移率的 應變矽MOS器件，以進一步提高該電路的性能。
2.根據權利要求1所述基於MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器，其特徵 在於，所述輸入級的四個PMOS管尺寸大小一致。
3.根據權利要求1所述基於MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器，其特徵 在於，所述由NMOS管N7、N5、m組成的第一電流鏡與輸入級的P2b管連接，所述由NMOS管 N8、N2、N6組成的第二電流鏡與輸入級的Plb管連接。
4.根據權利要求1所述基於MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器，其特徵 在於，所述正負輸入信號先通過一個混頻器進行混頻再送到放大器的輸入端，最後放大器 的正負輸出信號再次經過一個混頻器進行降頻再送到輸出端。
全文摘要
本發明公開了屬於模擬集成電路設計領域的一種基於MOS器件的寬帶低功耗電流回收斬波穩定放大器。包括升頻混頻器置於放大器輸入級之前，降頻混頻器置於放大器輸出級之後，實現對輸入信號的和降頻功能；分流輸入級由四個PMOS管組成，將輸入電壓信號轉換成電流信號，並形成反向回收電流；放大回收電流的中間級是由兩個低壓電流鏡組成，實現對回收電流的放大作用以及軌到軌輸出級，則是實現信號的軌到軌輸出；本發明具有在不增加功耗的情況下提高兩倍以上帶寬的能力；降低低頻1/f噪聲；增加低頻增益；同時還可以在保持同樣的帶寬、噪聲等性能下降低一半功耗，進一步提高該電路的性能。
文檔編號H03F1/26GK102142816SQ201110061079
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者方華軍, 梁仁榮, 王敬, 許軍, 趙曉 申請人:清華大學